ferros fundidos

5/7/2018 FERROS FUNDIDOS - slidepdf.com

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CAPÍTULO 8

1. FERROS FUNDIDOS

Os ferros fundidos são uma família das ligas ferrosas com uma variedade de propriedades e, como seu nome diz, intenciona-se fundi-los na forma desejada ao invés deserem trabalhados no estado sólido. Diferentemente dos aços que contém menos de 2% decarbono e geralmente menos de 1% C, os ferros fundidos contêm normalmente entre 2 e 4%de carbono e teores de silício entre 1 e 3%. Outros elementos de liga metálicos e nãometálicos são adicionados para controlar e variar propriedades específicas. Além da

composição química, outros fatores importantes que afetam as propriedades são: o processode solidificação, a taxa de solidificação e os tratamentos térmicos posteriores. Ferros fundidos produzem excelentes ligas com uma ampla variedade de resistências e durezas que, namaioria dos casos, são fáceis de serem usinadas. Elementos de liga são adicionados paramelhorar as propriedades de resistência ao desgaste, abrasão e corrosão. Seu uso em largaescala é resultado primeiramente de seu comparativamente baixo custo aliado a propriedadesde engenharia versáteis. Em relação à competição a cada dia mais acirrada de novos materiais,os ferros fundidos têm se mostrado o mais economicamente viável e indicado para milharesde aplicações de engenharia.

1. Classificação dos Ferros Fundidos

Quatro tipos básicos de ferros fundidos podem ser diferenciados pela distribuição decarbono em suas microestruturas. Visto que as composições químicas dos diferentes tipos deferro fundido podem se sobrepor, estes não podem ser diferenciados através de análisesquímicas. Os quatro tipos metalúrgicos básicos são: ferro fundido branco, cinzento, maleável, e dúctil ou nodular . Ferros fundidos de alta liga constituem um quinto tipo de ferros fundidos.A Tabela 8-1 lista a faixa de composições químicas de ferros fundidos não ligados típicos, e aFigura 8-1 mostra as faixas aproximadas de seus conteúdos de carbono e silício emcomparação com os aços.

Elemento Fofo Cinzento Fofo Branco Fofo Maleável Fofo DúctilCarbono 2,50 – 4,00 1,80 – 3,60 2,00 – 2,60 3,00 – 4,00

Silício 1,00 – 3,00 0,50 – 1,90 1,10 – 1,60 1,80 – 2,80

Manganês 0,25 – 1,00 0,25 – 0,80 0,20 – 1,00 0,10 – 1,00

Enxofre 0,02 – 0,25 0,06 – 0,20 0,04 – 0,18 0,03 máx.

Fósforo 0,05 – 1,00 0,06 – 0,18 0,18 máx. 0,10 máxTABELA 8-1 Composição química(em %) para ferros fundidos típicos não ligados



FIGURA 8-1Faixa aproximada dos conteúdos de carbono e silíciode ligas ferrosas. [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile

Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland, 1971.]

Ferro Fundido Branco

Se a composição química do ferro fundido estiver na faixa do ferro fundido branco(Tabela 8-1) e a taxa de solidificação for rápida o suficiente, o ferro fundido branco será

produzido. Neste tipo de liga, o carbono contido no ferro derretido permanece combinadocom o ferro na forma de carbonetos de ferro ou cementita, o qual é um composto duro e frágil(quebradiço) (Figura 8-2). Portanto, os ferros fundidos brancos são relativamente duros efrágeis, apresentam uma superfície “branca” fraturada cristalina. Também possuem altaresistência à compressão e ao desgaste.

FIGURA 8-2Microestrutura de ferro fundido branco.O constituinte branco é carboneto deferro. As áreas cinza são perlita nãodissolvida. (Ataque: nital 2%; X 100)

(Cortesia da Central Foundry.)



Ferro Fundido Cinzento

Se a composição química do ferro fundido estiver na faixa do ferro fundido cinzento ea taxa de solidificação for correta, o carbono no ferro separa-se ou grafitiza-se durante a

solidificação para formar flocos ou veios de grafita separados (Figura 8-3). Os ferros fundidoscinzentos têm uma boa fluidez dentre as ligas ferrosas e por isso pode-se ser fabricar peças deformas geométricas mais complexas e com seções reduzidas. Estes possuem excelenteusinabilidade em níveis de dureza, que garante uma boa resistência ao desgaste. A aparênciade “superfície fraturada” destas ligas possui uma coloração levemente acinzentada, por isso otermo “ferro fundido cinzento”.

FIGURA 8-3Ferro fundido cinzento perlítico na condição derecozido; a estrutura mostra flocos de grafita comoconstituintes escuros atacados. (Ataque: nital 2%; X100) (Cortesia da Central Foundry.)

FIGURA 8-4Ferro fundido maleável ferrítico na condição derecozido; a estrutura apresenta grafita em forma denódulos irregulares em matriz ferrítica. (Ataque: nital2%; X 100) (Cortesia da Central Foundry.)

Ferro Fundido Maleável

Este tipo de ferro fundido tem a maioria do seu carbono na forma de nódulosirregulares de grafita (Figura 8-4). O ferro fundido maleável é primeiramente fundido como

ferro fundido branco, com uma composição química adequada. Então, durante um tratamentotérmico de recozimento freqüentemente chamado de maleabilização, a grafita nucleia e crescea partir da cementita do ferro fundido branco para formar nódulos. Uma grande variedade de

propriedades mecânicas pode ser obtida em ferros fundidos maleáveis variando o recozimentoefetuado. Entretanto, como é requerida inicialmente a rápida solidificação para formar ferrofundido branco, a espessura obtenível para ferros fundidos maleáveis é limitada.

Ferros Fundidos Dúcteis

Ferros fundidos dúcteis têm seu carbono livre na forma de esferas ao invés de veios ouflocos de grafita. Por esta razão ele também é conhecido como ferro fundido nodular nosEstados Unidos e como ferro fundido esferulítico (ferro SG) na Inglaterra. A figura 8-5mostra a microestrutura de um ferro fundido dúctil na condição de recozido. A grafita



esferoidal nestes ferros é obtida pela adição de pequenas quantidades de magnésio ao mesmoainda no estado líquido antes do vazamento. A composição química dos ferros fundidosdúcteis é semelhante a dos ferros fundidos cinzentos, porém com teores mais baixos deelementos minoritários como enxofre e fósforo. Ferros fundidos dúcteis têm uma ampla faixa

de tensão de escoamento aliada com razoável ductilidade e, ao contrário do ferro fundidomaleável, podem ser fundidos com uma ampla gama de tamanhos com seções finas eespessas.

FIGURA 8-5Ferro fundido ferrítico dúctil nacondição de recozido. A estruturamostra esferas regulares degrafita como constituinte escuroatacado. (Ataque: nital 2%; X100) (Cortesia da Central Foundry.)

Ferros Fundidos de Alta Liga

Este grupo de ferros fundidos inclui os ferros fundidos brancos de alta liga, os ferrosfundidos cinzentos de alta liga e os ferros fundidos dúcteis de alta liga. Este grupo de ferrosfundidos ligados é separado dos demais, pois possui propriedades especiais,consideravelmente diferentes quando comparado aos FOFOS sem ou com baixos teores deelementos de liga, como alta resistência a abrasão, ao calor e a corrosão. Eles são geralmenteespecificados pela sua composição química, porém, exigências de propriedades mecânicastambém podem ser incluídas.

8-2 O Sistema Ferro-Carbono-Silício

Os ferros fundidos contêm teores consideráveis de silício (1 a 3 % em peso) assimcomo elevado conteúdo de carbono, portanto devem ser consideradas ligas ternárias de Fe-C-Si. Visto que a presença do silício em ligas Fe-C promove a grafitização, ferros fundidos

podem solidificar tanto no sistema ferro-carboneto de ferro (ou cementita) como no sistemaferro-grafita, ou mesmo em ambos. Longos períodos a altas temperaturas, resfriamento lento e

a presença de certos elementos de liga favorecem a formação de núcleos de grafita,conseqüentemente, promovem a mudança da fase metaestável ferro-cementita para a faseestável ferro-grafita. Por outro lado, resfriamento rápido e a presença de certos elementos deliga podem evitar a nucleação da grafita e reter a fase ferro-cementita.



A Figura 8-6 mostra os efeitos da adição de 2 a 4% de silício em modificar o diagramade fases ferro-carbono. Adições de silício da ordem de 2 a 4% diminuem o teor de carbonoeutetóide para 0,6 e 0,4% respectivamente. Também, adições dessa ordem diminuem asolubilidade máxima do carbono na austenita a 1,7 e 1,4% respectivamente. Similarmente,

adições de silício baixam o teor de carbono na perlita destas ligas. Além disso, a adição desilício ao sistema ferro-carbono promove a reação eutética e eutetóide em uma faixa detemperaturas acima da faixa encontrada no diagrama ferro-carbono. A temperatura aumentana mesma razão que aumenta o teor de silício adicionado na liga.

FIGURA 8-6 - Seção vertical do sistema da liga ternária ferro-carbono-silício a 0, 2 e 4% desilício. (Cortesia da American Foundrymen’s Society.)



8-3 Ferro Fundido Cinzento

Pelo fato dos ferros fundidos cinzentos apresentarem tantas características úteis, elessão os favoritos dos projetistas para a fundição e a alta complexidade das peças obtidas, tanto

em tamanhos grandes como pequenos. Atualmente, aproximadamente 75% das peças produzidas por fundição são de ferro fundido cinzento devido as suas vantagens de performance e seu baixo custo de produção. Os veios ou flocos de grafita no ferro fundidocinzento proporcionam algumas de suas principais propriedades como a usinabilidade emvalores de dureza que produzem superior resistência à abrasão, a habilidade de suportar poucalubrificação sem “esfolamento”, e excelente amortecimento de vibrações. O ferro fundidocinzento tem resistência comparável aos aços de alta resistência para aplicações onde érequerida resistência à compressão, estabilidade dimensional e onde alinhamento sob tensão ésolicitado.

Classes de Ferros Fundidos Cinzentos

Ferros fundidos cinzentos são usualmente classificados pela mínima resistência atração suportada com uma dada seção transversal. A maioria dos ferros fundidos cinzentos éclassificada de acordo com a norma A48 da ASTM, na qual as classes variam em resistência àtração de 20.000 a 60.000 psi (Tabela 8-2). Outras especificações são utilizadas para produtosespeciais. A resistência dos ferros fundidos depende principalmente da estrutura da sua matrize forma, distribuição, e tamanho dos veios ou flocos de grafita.

Com base no conteúdo de carbono da seção do diagrama ternário Fe-C-Si (Figura 8-6),ferros fundidos cinzentos podem ser classificados como hipoeutéticos ou hipereutéticos. Por exemplo, um ferro fundido cinzento de 2% Si tem sua composição eutética por volta de 3,6%C. Qualquer ferro fundido cinzento com menos de 3,6% C e 2% Si será classificado comohipoeutético, enquanto que outro com mais de 3,6%C e 2%Si será hipereutético.

Classe Resistência máxima à tração mínima, psi20A 20.00030A 30.00040A 40.00050A 50.00060A 60.000

TABELA 8-2 -Classes de ferros fundidos cinzentos de acordo com a ASTM Especificação A48*. (* O corpo de

prova de tração possui 0,88 pol. de diâmetro nominal.)

Solidificação Lenta para um Ferro Fundido Cinzento Hipoeutético

Considere a solidificação lenta de um ferro fundido cinzento hipoeutético (3% C – 2% Si) com referência à figura 8-7. Sob lenta condição de solidificação (equilíbrio), dendritasde austenita primária começam a se formar no liquidus [ponto (1)] (cerca de 1250 ºC) econtinuam a crescer no líquido até o início da solidificação eutética que ocorre em torno de1150 ºC no ponto (2). O eutético começará a solidificar sobre uma pequena faixa detemperatura [pontos (2) a (3)] depois da qual a liga será constituída principalmente de

dendritas de austenita primária e um eutético de austenita-grafita. No solidus, a austenitaestará saturada com cerca de 1,7% C.



O resfriamento lento abaixo do solidus dos pontos (3) a (4) é acompanhado pelarejeição de carbono da austenita e sua precipitação na grafita existente no eutético. O excessode carbono continua precipitando até que a temperatura eutetóide (800 ºC) seja atingida.Resfriar através da faixa eutetóide [pontos (4) a (5)] faz com que a austenita se transforme em

ferrita, e o excesso de carbono se precipite em torno dos veios ou flocos de grafita jáexistentes. A microestrutura final é formada de regiões ferríticas, originadas das dendritasausteníticas primárias, juntamente com outras regiões misturadas de ferrita e veios ou flocosde grafita, originadas do eutético de austenita-grafita, este tipo de estrutura é mostrada naFigura 8-8. Nos ferros fundidos cinzentos comerciais o processo de solidificação é muito maiscomplexo por causa dos efeitos da presença de muitos outros elementos e da introdução demuitas outras variáveis como a taxa de solidificação e tamanho de seção.

FIGURA 8-7Seção do ferro-grafita-silício.

Diagrama ternário emequilíbrio para 2% de silício.(1) a (2): Dendritas deaustenita sendo formadas ecrescendo até que temperaturaem (2) seja alcançada. (2) a(3): Congelamento eutéticoocorre entre as temperaturas(2) e (3). Se o ferro solidificar como ferro fundido cinzento,o eutético será uma misturade austenita e grafita. (3) a(4): Com o decréscimo da

temperatura na região daaustenita + carboneto, ocarbono será rejeitado daaustenita como grafita e se precipitará como flocos degrafita no eutético. (4) a (5):Solidificação em equilíbrioatravés do campo eutetóideresultará na transformação daaustenita para ferrita e a precipitação do carbonoremanescente nos flocos degrafita. [C. F. Walton (ed.),

Gray and Ductile IronCastings Handbook, Grayand Ductile Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland,1971, p. 364.]



FIGURA 8-8Microestrutura de uma liga Fe-C-Si hipoeutetóideresfriada lentamente. Note que as áreas de ferrita

foram formadas a partir das dendritas austeníticasoriginais (VERIFICAR SE ESTÁ CORRETO) e oeutético ferrita-grafita foi formado a partir do eutéticoaustenita-grafita original.

Efeitos da Composição Química na Microestrutura do Ferro Fundido Cinzento

Carbono e silício são os elementos de liga majoritários presentes nos ferros fundidoscinzentos e exercem a maior influência em sua microestrutura. Entretanto, todos elementos

produzem efeitos microestruturais em algum grau. Elementos que produzem grafitização (aformação da grafita) são chamados de estabilizadores da grafita. O silício é um importante

estabilizador de grafita e é o mais importante fator promotor da grafitização de ferrosfundidos cinzentos. Grafitização é o processo no qual, ou o carbono livre precipita no ferro,ou o carboneto de ferro (Fe3C) se decompõe em carbono livre (grafita) e ferro, de acordo coma reação:

Fe3C → 3 Fe + C (Grafita)

Outros elementos podem estabilizar a cementita. Estes elementos são chamados deestabilizadores de carboneto. Cromo, enxofre e manganês são exemplos de elementosestabilizadores da cementita.

FIGURA 8-9Efeito da porcentagem de carbono e silício notipo do ferro fundido formado. [C. R. Loper, Jr., e R. W. Heine, C. R. Loper, and P. C. Rosenthal, “Principles of Metals Casting”

McGraw-Hill, New York, 1967, p. 579.]



CARBONO E SILÍCIO: Tanto o carbono como o silício promovem a formação da grafita noferro fundido cinzento, e assim quando a porcentagem destes elementos é aumentada, aformação de ferro cinzento é favorecida em relação ao branco como indicado na Figura 8-9.Se a concentração de carbono e silício é diminuída abaixo dos níveis críticos a formação de

ferro fundido branco será privilegiada. Um ferro fundido matizado, consistindo de ferro branco e cinzento misturados, poderá ser produzido como uma estrutura intermediária.O carbono no ferro fundido cinzento pode existir na forma de grafita ou como

cementita. Se a grafitização é completa, o ferro fundido terá veios ou flocos de grafita em umamatriz de ferrita. Entretanto, se de 0,5 a 0,8 % do carbono estiver combinado na forma decementita, a matriz do ferro fundido cinzento será perlítica como mostrado na Figura 8-3.

O conteúdo de silício do ferro fundido cinzento varia de 1,0 a 3,5 % em peso.Aumentar o teor de silício das ligas de Fe-C-Si desloca a composição eutética para a esquerda(Figura 8-6). Este deslocamento eutético pode ser expresso pela seguinte equação:

% Carbono Eutético (Ligas Fe-C-Si) = 4,3 – 0,33 X % Si (Na liga)

Muitas propriedades do ferro fundido cinzento podem ser descritas em termos docarbono equivalente (CE). O carbono equivalente leva em conta os conteúdos de carbono esilício da liga através da relação:

Carbono Equivalente (CE) = % C (no ferro) + 1/3 % Si (no ferro)

Uma vez que a composição eutética do sistema binário Fe-C é 4,3 % C, umequivalente de carbono de cerca de 4,3 indica que a liga é de composição aproximadamenteeutética. Uma liga com CE abaixo de 4,3 seria hipoeutética, e outra com mais de 4,3 seriahipereutética.

FIGURA 8-10Microestrutura de um ferrofundido cinzento mostrando partículas acinzentadasangulares de sulfeto demanganês. Já que o MnSsolidifica acima datemperatura de solidificaçãodo ferro, este compostoforma partículas separadas.

(Ataque: nital 2%; X 250) [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Inc.,

Cleveland, 1971, p. 104.]



ENXOFRE E MANGANÊS: O enxofre está presente em algum grau em todos os ferrosfundidos. Para ferros fundidos dúcteis, o teor de enxofre deve ser mantido em níveis bem

baixos para permitir a formação da grafita esferoidal quando da adição de magnésio.Entretanto, para os outros ferros fundidos a influência do enxofre deve ser considerada

relativa à sua reação com o manganês.Sem manganês no ferro fundido, o enxofre irá se combinar com o ferro para formar osulfeto de ferro (FeS), que segrega em torno dos contornos de grão durante o resfriamento.Quando o manganês está presente no ferro fundido, MnS ou complexos de manganês-sulfeto-de-ferro, precipitam durante todo o processo de solidificação. Como resultado, uma dispersãoaleatória de partículas de sulfeto de manganês angulares é criada. A Figura 8-10 mostraalgumas destas partículas de MnS. Estas partículas têm pouca influência na fundibilidade enas propriedades de uso dos ferros fundidos comerciais.

O efeito tanto do enxofre quanto do manganês quando adicionados sozinhos aos ferrosfundidos é de restringir a grafitização e promover a formação de perlita. Desta forma, tanto oenxofre quanto o manganês sozinhos nos ferros fundidos são elementos estabilizadores de

carbonetos. Entretanto, quando ambos estão presentes, seus efeitos de estabilizadores sãoanulados. Se uma estrutura perlítica é desejada, por exemplo em um ferro fundido cinzento, éadicionado manganês ao ferro-fundido derretido suficientemente em excesso para combinar com o enxofre e formar o MnS e ainda sobrar um pouco de manganês.

FIGURA 8-11Microestrutura de um ferro fundidocinzento mostrando o constituintecontendo fósforo "esteadita", o qual,com baixos conteúdos de fósforo, forma-se como partículas separadas. [C. F.Walton (ed.), Gray and Ductile IronCastings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland,

1971, p. 105.]

FÓSFORO. Ferros fundidos contendo fósforo suficiente, especialmente os cinzentos, podemformar um eutético de ferro e fosfato de ferro chamado de esteadita. A esteadita, que possuium baixo ponto de solidificação (entre 954 e 980 ºC), solidifica-se a temperaturasrelativamente baixas e segrega nos contornos das células de solidificação. Com teores de0,2% de fósforo, típico de muitos ferros fundidos, a esteadita solidifica-se na junção de trêscélulas para formar constituintes côncavos de geometria triangular como aqueles mostradosna Figura 8-11.

Em níveis mais altos de fósforo a esteadita forma constituintes muito maiores. Desdeque o fosfato de ferro é duro e frágil, um aumento na quantidade de esteadita (isto é, acima de0,3% P) em um ferro fundido pode aumentar sua dureza e fragilidade, diminuindo suausinabilidade. Entretanto, este componente duro também aumenta a resistência ao desgaste,

portanto, sua presença é desejável para algumas aplicações.



FIGURA 8-12Os cinco tipos de flocos de grafita conforme estabelecido pela ASTM na especificação A 247. Tipo A – distribuição uniforme e orientação aleatória. Tipo B – rosetas agrupadas e orientação aleatória. Tipo C – flocos

de tamanho grande e orientação aleatória. Tipo D – segregação interdendrítica e orientação aleatória. Tipo E – segregação interdendrítica e orientação preferencial. (Metal Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for

Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p. 82.)



Grafitização Durante a Solidificação

Durante a solidificação de ferros fundidos cinzentos, vários tamanhos, formas edistribuições de veios ou flocos de grafita podem se desenvolver. Cinco tipos básicos destes

veios (tipos A até E), foram estabelecidos pela ASTM e AFS como padrões e são mostradosna Figura 8-12. Flocos do tipo A com uma distribuição aleatória e tamanho pequeno sãoconsiderados desejáveis. Contudo, na prática, tipos interdendríticos segregados e tiposcelulares estão freqüentemente presentes. Veios do tipo E, com segregação interdendrítica eorientação preferencial são freqüentemente encontrados em ferros fundidos hipoeutéticos.Muitos pesquisadores atribuem a formação de veios de grafita do tipo D a um efeito desubresfriamento durante a solidificação.

Grandes veios com orientação aleatória serão formados quando as taxas deresfriamento e nucleação forem baixas e a grafitização for fácil. Pequenos veios se formamquando a taxa de nucleação é alta devido ao subresfriamento moderado e há tempo suficiente

para a grafitização. Um subresfriamento severo evita a grafitização e resulta na formação de

ferro fundido branco.A adição de inoculantes1 ao ferro fundido líquido logo antes deste ser vazado, pode

afetar o tamanho da célula do eutético, a configuração da grafita, e a matriz metálica. Se oferro-silício ou outro agente grafitizante é adicionado em pequenas quantidades (0,05 a 0,25%) em ferros fundidos cinzentos hipoeutéticos, a formação de grafita do tipo A e de célulaseutéticas finas é favorecida2. Acredita-se que a inoculação proporciona núcleos para aformação de grafita eutética, sendo assim, evita o subresfriamento da temperatura desolidificação. Ferros fundidos cinzentos hipoeutéticos respondem bem à inoculação, mas

pouco ou nenhum efeito é obtido para ferros fundidos cinzentos eutéticos ou hipereutéticos.

1 Um inoculante pode ser definido como uma adição ao ferro fundido que produz efeitos muito superiores de proporção a qualquer alteração

na composição química.1 H. D. Merchant, L. I. Toriello, e J. F. Wallace, AFS Trans. 69(1961):117.

Microestrutura

Microestruturas típicas das classes 20, 30 e 40 dos ferros fundidos cinzentos sãomostradas na Figura 8-13. A matriz metálica proporciona a resistência básica dos ferrosfundidos cinzentos. Quanto mais dura e resistente for a matriz metálica, mais duro e resistenteserá o ferro fundido. Os veios ou flocos de grafita têm um efeito enfraquecedor na resistência

por agirem como entalhes.

A classe 20 dos ferros fundidos cinzentos é essencialmente de matriz ferrítica comomostrado nas microestruturas da Figura 8-13a e b. Entretanto, bandas negras de perlitaocorrem nas fronteiras das células. A matriz ferrítica é relativamente fraca no ferro fundido,comparando-se com o aço, sendo assim a resistência desta classe de ferros fundidos cinzentosé relativamente baixa.

A classe 30 é mais resistente (30.000 psi mín.) e sua microestrutura é constituída deuma matriz mista de ferrita e perlita, como mostrado na Figura 8-13c e d . Entretanto, os veiosou flocos de grafita são grosseiros, apesar do tipo desejado A. A matriz mista de perlita-ferritaé mais resistente do que a matriz ferrítica simples.

A microestrutura da classe 40 de ferro fundido cinzento é mostrada na Figura 8-13e e f . Neste caso a rápida solidificação cria uma matriz de perlita fina e veios ou flocos de grafita

1 Um inoculante pode ser definido como uma adição ao ferro fundido que produz efeitos bastante salientes proporcionalmente à alteração nacomposição química.2 H. D. Merchant, L. I. Toriello, e J. F. Wallace, AFS Trans. 69(1961):117.



do tipo D. Numerosas partículas de carbonetos podem também ser observadas, e foramformadas pela solidificação rápida.

A taxa de solidificação possui um grande efeito na microestrutura e conseqüentementenas propriedades do ferro fundido cinzento. Taxas de resfriamento lento levam a formação de

veios ou flocos de grafita grosseiros e a formação de lamelas de perlita. Taxas de resfriamentomuito lentas favorecem a formação de uma matriz de ferrita. Portanto, resfriamentos lentoslevam a formação de estruturas com baixa resistência, como mostrado na Figura 8-13a e b.Solidificação rápida favorece a formação de uma matriz perlítica e mesmo alguns carbonetos,resultando em maiores resistências. Este tipo de microestrutura é mostrado na Figura 8-13e.

FIGURA 8-13Microestruturas de ferros fundidoscinzentos das classes 20, 30 e 40. (a)Ferro fundido da classe 20 submetido aalívio de tensões por 1 h entre 607 e621 ºC. Estrutura: Como fundidoconsistia de flocos de grafita do tipo Dem matriz de ferrita, bandas escuras de perlita surgem nos contornos dascélulas. (picral 3%; X 100) (b) Fofo daclasse 20 recozido a 788 ºC 1h por polegada de espessura; resfriado aoforno até 472 ºC, resfriado ao ar.Grafita do tipo A em matriz livre deferrita e perlita; bandas escuras noscontornos das células. (nital 5%; X100) (c) Fofo da classe 30 estrutura decomo fabricado em molde de areia:flocos de grafita do tipo A em matrizde 20% de ferrita livre e 80% de perlita(constituinte escuro). (nital 3%; X 100)(d ) Fofo da classe 30 como fundido.Estrutura contendo flocos de grafita dotipo A em matriz de perlita (lamelasalternadas). (nital 3%; X 500) (e) Fofoda classe 40. Estrutura: flocos degrafita do tipo D em matriz de perlitafina, contendo diversas partículas decarbonetos (região clara) devido àrápida solidificação. (nital 2%; X 100)

( f ) Fofo da classe 40, o mesmo de (e), porém com maior aumento; estruturamostra detalhes da perlita fina namatriz. (nital 2%; X750) [Metal Handbook, 8 ed., vol. 7, AmericanSociety for Metals, Metals Park, Ohio,1972, p. 82-83.]



Propriedades de Engenharia

PROPRIEDADES MECÂNICAS: As propriedades mecânicas dos fofos resultam principalmente de uma combinação dos efeitos de composição química com a taxa de

solidificação. A taxa a qual os fofos cinzentos solidificam-se, tem influência direta na forma,tamanho, e distribuição da grafita. A taxa de resfriamento depois que a solidificação estácompleta age de maneira similar a um tratamento térmico. Portanto, uma estrutura ferrítica ouuma estrutura perlítica é obtida basicamente pela taxa de resfriamento depois da solidificação.

Carbono e silício são os elementos mais importantes que determinam as propriedadesmecânicas dos ferros fundidos cinzentos. Em geral, conforme o equivalente de carbonodecresce, a resistência dos fofos cinzentos é aumentada. O efeito do CE e do tamanho daseção na resistência a tração de um ferro fundido cinzento é mostrado na Figura 8-14. Quandoa resistência à tração requerida é da ordem de 50.000 psi, faz-se necessária a adição de cromo,níquel ou molibdênio, exceto para seções muito finas. Tratamentos térmicos por resfriamentorápido e revenimento podem ser utilizados para aumentar a resistência dos fofos cinzentos.

A relativa baixa resistência à tração dos ferros fundidos cinzentos é devida aoentrelaçamento dos veios de grafita, como mostrado na micrografia eletrônica de varredura daFigura 8-15. Quanto maior o conteúdo de grafita e quanto mais grosseiros os grãos, mais aresistência do ferro fundido é reduzida. Os frágeis veios de grafita enfraquecem a matriz eagem como entalhes na matriz favorecendo a nucleação de trincas.

A influência dos diferentes tipos de flocos de grafita e dendritas austeníticas nas propriedades mecânicas dos fofos cinzentos em vários CE’s foram investigados por Ruff eWallace1. Eles descobriram que o acréscimo de dendritas austeníticas primárias melhora aresistência à tração dos fofos cinzentos. Em condições onde a quantidade de dendritas e de CEé semelhante, grandes quantidades de grafita do tipo A e células eutéticas refinadas parecemfavorecer a resistência à tensão, diminuindo a extensão dos veios de grafita. As melhores

propriedades de resistência à tração são obtidas com a combinação de grande quantidade dedendritas austeníticas primárias longas, quase que totalmente grafita do tipo A, célulaseutéticas refinadas, e uma matriz perlítica. Esta estrutura é obtida pela adição de nitrogênio auma base fundida contendo pequenas quantidades de titânio.

1 G. F. Ruff e J. f. Wallace, AFS Trans. 84(1976):75.



FIGURA 8-14Efeito do equivalente decarbono (CE) e tamanho daseção na resistência à tração

de barras de ferro fundidocinzento. [Carbonoequivalente = %C + 0,3 (%Si+ %P).] ( J. F. Wallace, Foundry, December 1963, p.40.)

FIGURA 8-15Micrografia eletrônica de varredura de um

ferro fundido cinzento hipereutético commatriz atacada para mostrar a disposição dagrafita do tipo B no espaço. (Metal

Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p. 82.)



FIGURA 8-16Influência da microestrutura da matrize velocidade de corte na vida daferramenta na usinagem de ferro

fundido cinzento. [C. F. Walton (ed.),Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland,1971, p. 519.]

RESISTÊNCIA AO DESGASTE: O fofo cinzento possui excepcional resistência ao tipo dedesgaste de fricção. Por esta razão é usado em aplicações envolvendo superfícies deslizantessubmetidas a este tipo de desgaste, tais como camisas de cilindros e anéis de pistões emmotores de combustão interna e em guias de máquinas de usinagem. O fofo cinzento possuiexcelente resistência ao “esfolamento” ( galling) e “agarramento” ( seizing), o que é explicado

pelos efeitos lubrificantes dos flocos de grafita e retenção de óleo nas áreas e veios de grafita.

FIGURA 8-17Habilidade relativa de metais ferrosos emamortecer vibrações. A energia absorvida por ciclo,ou capacidade de amortecimento específica destes, pode diferenciar-se por mais de dez vezes. [C. F.

Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland, 1971, p. 155.]

USINABILIDADE: O ferro fundido cinzento é uma das melhores ligas ferrosas para seusinar, como indicado na Figura 8-16. As matrizes mais finas perlíticas, que são mais fortes eduras, são usinadas a baixas velocidades. Todavia, uma matriz perlítica tem a melhor combinação de usinabilidade e resistência ao desgaste para fofos cinzentos.

CAPACIDADE DE AMORTECIMENTO. Capacidade de amortecimento é definida comoa capacidade do material de absorver energia causada por vibrações e amortecê-las. Os fofoscinzentos, especialmente aqueles que possuem grandes quantidades de veios ou flocos degrafita, rapidamente absorvem vibrações, como mostrado na Figura 8-17. Esta característicados fofos cinzentos algumas vezes a sua grande vantagem para algumas aplicações. Blocos decilindros, recobridores de engrenagens, e juntas (heads) são alguns dos exemplos onde a

capacidade de amortecimento dos fofos cinzentos é utilizada.



8-4 Ferros Fundidos Dúcteis

Ferro fundido dúctil (nodulares) consiste de grafitas esferoidizadas dispersas em umamatriz de ferrita, perlita ou de ambas. Durante a solidificação do ferro dúctil, a maioria do

carbono forma grafita esferóide ao invés de carbono em forma de veios de grafita como noferro fundido cinzento. Usualmente a microestrutura, tal como fundida, do ferro fundidonodular é constituída de grafite nodular circundada por ferrita livre (estrutura “bull’s-eye” ouolho de touro) em uma matriz de perlita (Figura 8-18).

O ferro fundido nodular possui uma combinação de propriedades pouco comum,devido à forma de sua grafita ocorrer em nódulos invés de flocos. Suas vantagens em relaçãoao ferro fundido cinzento são seu baixo ponto de fusão, boa fluidez e fundibilidade, excelenteusinabilidade e boa resistência ao desgaste. Porém, possui também uma alta resistência,ductilidade, tenacidade e alta trabalhabilidade a quente.Como resultado de suas propriedades o ferro nodular tem mostrado um crescimentofenomenal em sua utilização desde sua descoberta em 19481. A Figura 8-19 mostra como sua

FIGURA 8-18Ferro fundido dúctil da classe 80-55-06, tal comofabricado. A estrutura consiste de nódulos de grafitarodeados por envelopes de ferrita livre (estruturaolho de touro ou “bull’s eye”) em uma matriz de perlita. (Ataque: nital 2%; X 100) (Cortesia daCentral Foundry.)

produção aumentou imensamente com o passar dos anos. Em comparação com o ferrofundido maleável e os aços fundidos, a produção de ambos tem permanecido estável.Os principais tipos e aplicações dos ferros fundidos dúcteis estão listados na Tabela 8-3.Similarmente ao ferro fundido cinzento, as várias classes de ferros fundidos dúcteis sãodesignadas por sua resistência à tensão. Diferentes classes podem ser produzidas com amudança da microestrutura da matriz. Alguns ferros fundidos dúcteis são produzidos e

utilizados nas condições em que se encontram após a fundição, porém para se produzir ferrofundido com as mais altas resistências são necessários tratamentos térmicos. Geralmente nãohá diferença na composição química das classes básicas. Algumas vezes, entretanto, pequenasmodificações na composição química e mudanças na fundição são necessárias para se

produzir à microestrutura desejada.

1 H. Morrogh, AFS Trans. 56(1948):72.



FIGURA 8-19Produção anual de ferros fundidos cinzentos,maleável e dúctil (1960 – 1990) em toneladas.

Solidificação do Ferro Fundido Dúctil

Para se produzir ferros fundidos dúcteis, uma pequena quantidade de magnésio (0,1%) é adicionada no ferro líquido com composição de 3,0 a 4,0 % de carbono e 1,8 a 2,8 % desilício. A função do magnésio é desoxidar e dessulfurar o ferro líquido. No caso do enxofre e

do oxigênio serem absorvidos (na interface grafita/ferro liquido) pelo banho liquido, ocorreráa formação de veios de grafita igual aos observados no ferro fundido cinzento. Para se produzir a grafita esferoidizada, o oxigênio e o enxofre devem ser removidos. Na ausênciadestas impurezas, o crescimento das grafitas deverá ter a morfologia esférica.

A Figura 8-20 mostra a estrutura cristalina da grafita. Para que haja a formação denódulos, deve haver a combinação de uma interface instável e o crescimento de planos basais,como indicado na Figura 8-20a. Impurezas absorvidas como o oxigênio e o enxofre

prejudicam os campos de crescimento dos planos basais, portanto, estabilizam a interfacemetal - plano basal. Como resultado ocorrerá a formação de “flocos” de grafita (Figura 8-20c)em lugar de grafita esférica (Figura 8-20b).

A solidificação de ferros nodulares é semelhante à dos ferros fundidos cinzentos,

exceto pelo fato de que a grafita cresce em direções radiais e assume a forma nodular. Anucleação de grafitas esferoidais provavelmente ocorre da mesma maneira que a nucleaçãodas “flocos” de grafita do ferro fundido cinzento, exceto pelo fato de que os produtos danodulação podem agir como núcleos. Estes produtos que servem de núcleos podem ser osulfeto de magnésio ou o silicato de magnésio, identificados como 3MgO ⋅ 2SiO2 ⋅ 2H2O. Aação destes produtos como núcleos em ferros fundidos dúcteis pode ajudar a explicar o maior número de células eutéticas em comparação com a quantidade observada nos ferros fundidoscinzentos.

Evidências experimentais indicam que as grafitas esféricas crescem diretamente doferro líquido, como as grafitas do cinzento. Estas esferas crescem na direção do pólo basal da

grafita, com o plano basal em contato com o metal líquido, mas que podem ser envoltas por uma casca de austenita. Crescimento posterior ocorre pela difusão de carbono através dacasca. Como o carbono precisa difundir através da casca, o crescimento dos esferóides ocorremais lentamente do que o crescimento na transformação eutética do ferro fundido cinzento.



Entretanto, o liquido pode estar presente em uma faixa de temperatura mais ampla e a umatemperatura mais baixa em ferros fundidos dúcteis que em ferro fundido cinzentos.

O número de grafitas esféricas é determinado nos primeiros estágios do processo desolidificação. Como o ferro fundido nodular é resfriado a mais baixa temperatura, o carbono

precipita na forma de grafita, nos nódulos existentes, a temperaturas abaixo do campoeutetóide. Como no ferro fundido cinzento, a taxa de resfriamento através da faixa eutetóidedetermina a estrutura da matriz. A microestrutura de “olho de touro” mostrado na Figura 8-18é típica da estrutura ferrítica- perlítica encontrado em ferros fundidos dúcteis antes de sofrer tratamento térmico.

TABELA 8-3Classes comuns e aplicações típicas de ferros fundidos dúcteis

TipoTS-YS-%

elongamento

LR, psi LE, psi Elongamentotípico, %

Dureza, Bhn Tratamentotérmico

MicroestruturaTípica

Aplicações típicas

60-40-8 60.000 40.000 18 137 – 170 Recozido Totalmenteferrítico Fundidos sob pressão tal comoválvula ou corpos de bombas65-45-12 65.000 45.000 12 149 – 229 --- Ferrítico Fundidos sujeitos a choques e

carregamentos em fadiga80-55-06 80.000 55.000 6 179 – 255 --- Ferrítico e

perlíticoEngrenagens de manivelas e cilindros

100-70-03 100.000 70.000 3 229 – 302 Normalizado Totalmente perlítico

Engrenagens de alta resistência,componentes automotivos e de

máquinas120-90-02 120.000 90.000 2 250 – 350* Temperado e

revenidoMartensitarevenida

Pinos, engrenagens, cilindros



FIGURA 8-20Relação entre as direções de crescimento da grafita esferoidal e em “flocos”. ( P.F.Weiser, C. E. Bates, e J.F.Wallace, “Machanisms of Graphite Formation in Iron-Silicon-Carbon Alloys”, Malleable Founders’ Society,Cleveland, 1967, p.100)

Efeito da composição química na estrutura e propriedades dos ferros fundidosnodulares

CARBONO E SILÍCIO: O conteúdo de carbono dos ferros fundidos cinzentos varia de 3,0 a4,0 %, sendo os valores entre 3,6 e 3,9 % os mais comuns. O maior conteúdo de carbono dosferros fundidos dúcteis em relação ao ferro fundido cinzento é necessário para a obtenção demaiores densidades de nódulos de grafita. No caso do carbono equivalente (CE) tornar-semuito elevado (ex. acima de 4,6), pode ocorrer flotação do carbono, como indicado na Figura8-21. O conteúdo de silício no ferro fundido nodular é de 1,8 a 2,8 %, sendo os valores entre

2,2 e 2,7 % os mais comuns. O silício influencia o CE, então, um aumento do teor de silícioimplica no acrescido do numero de nódulos. Baixo conteúdo de silício aumenta a tendência aocoquilhamento e, se o teor for baixo o suficiente pode causar uma formação excessiva de



carbonetos em seções finas. O silício também aumenta a resistência da ferrita em ferrofundido nodulares.

FIGURA 8-21Zona de carbono e silício em ferros fundidos dúcteis.( H.E. Henderson, Gray, Ductile e Malleable Iron Casting-Current Cababilities, ASTM STP 455, 1969, p. 37; Reimpresso, autorizado,de Americam Society for Testing and Matirials, 1916 Race St., Philadelphia, PA 19013; Copyright .)

ENXOFRE: O enxofre nos ferros fundidos nodulares normalmente é mantido abaixo de 0,03%. Um acréscimo de enxofre, significaria a necessidade de um acréscimo adicional demagnésio para existir grafita esferoidal. O teor de enxofre após o tratamento com magnésio é

normalmente em torno de 0,015 %.

FÓSFORO: Visto que o fósforo forma a estrutura eutética frágil “esteadita”, este elementoafeta a ductilidade e as propriedades de impacto. Um máximo de 0,1 é especificado, porémusualmente é mantido em teores abaixo de 0,05 %.

OUTROS ELEMENTOS: Deve ser feito um controle rigoroso de elementos como chumbo,titânio, alumínio, antimônio e zircônio que são conhecidos como promotores de grafitizaçãoem “flocos”. Outros elementos promotores da formação de perlita e/ou cementita comoarsênio, boro, cromo, estanho e vanádio, devem ser minimizados. Ligas de ferro fundidonodular são produzidas com adições de manganês, níquel e molibdênio e serão detalhadas

depois.

Tratamentos Térmicos e Microestrutura

A tensão de resistência de um ferro fundido nodular sem elementos de liga pode variar de 60 a 120 ksi através da escolha do tratamento térmico correto. Esta faixa de resistência éresultado da variação da estrutura da matriz de totalmente ferrítica, para ferrita e perlita, paramartensita, ou ainda para martensita revenida.

Apesar das condições de processamento poderem ser ajustadas para produzir algunstipos de ferro fundido nodular sem necessidade de tratamento térmico, é comum a prática detratamentos térmicos para a maioria dos ferros fundidos dúcteis para obter as propriedadesdesejadas. Os principais tratamentos térmicos são listados aqui.



ALÍVIO DE TENSÕES: Este tratamento remove tensões internas nos fundidos por aquecimento a 538 até 675 ºC por 1 hora mais 1 hora adicional por polegada de espessura.

RECOZIMENTO: Este tratamento aumenta a ductilidade e produz melhor usinabilidade.

Ferro fundido nodulares na condição sem tratamento térmico são normalmente da classe 80-55-06 com uma capa de ferrita envolta dos nódulos de grafita e com uma matriz perlítica,como mostrado nas Figuras 8-18 e 8-22a. Há muitos tratamentos de recozimento para estesferros fundidos, porém, dois mais comumente utilizados são os seguintes.

1. Recozimento de estágio único: O ferro fundido é aquecido a 788 ºC por 6h e entãoresfriado no forno. Este tratamento decompõe a maior parte da perlita da estrutura do fundido,como mostrado na Figura 8-22b.

2. Recozimento de estágio duplo: O ferro fundido é aquecido a 900 ºC, a uma taxa de 130 ºC por hora, mantido nesta temperatura por 4h, depois resfriado a uma taxa de 22 ºC por hora até

691 ºC, mantido por 6h, e resfriado ao forno. O resultado é uma microestrutura que consistede nódulos de grafita em uma matriz de ferrita (Figura 8-22c). A Figura 8-22d mostra a grafitasecundária produzida pelo recozimento e que envolve o nódulo de grafita primária.

FIGURA 8-22



Microestrutura de ferros fundidos dúcteis. (a) Micrografia eletrônica de varredura de um ferro fundido dúctil perlítico como fabricado com a matriz atacada para mostrar a grafita secundaria e a ferrita olho de touro, emtorno dos nódulos de grafita primária. (3:1 brometo de metil acetato líquido; X 475.) (b) Ferro fundido dúctilferrítico da classe 60-40-18. Ferro fundido dúctil perlítico como fabricado e recozido 6 h a 788ºC e resfriado aoforno. A maior parte da perlita se decompôs, resultando em uma matriz de ferrita livre (região clara) e 5% de

perlita (região escura e irregular). (nital 3%; X 100.) (c) Ferro fundido dúctil ferrítico da classe 60-45-12.Aquecido a 900ºC a 139ºC/h, mantido por 4 h, resfriado a 22ºC/h até 691ºC, mantido por 6 h e resfriado aoforno. Nódulos de grafita e matriz ferrítica. (nital 2% região clara do ataque; X 140.) ( d ) Ferro fundido dúctil daclasse 60-45-12 com o mesmo tratamento de c, no qual a perlita se decompôs em carbonetos livres na matrizoriginal, produzindo grafita secundária em torno dos nódulos de grafita primaria em toda matriz ferrítica. (nital2%; X 750.) (Metals Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p. 88-89.)

NORMALIZAÇÃO E REVENIMENTO: Este tratamento pode ser usado para desenvolver resistências maiores que as das classes 80-55-06 e 100-70-03. Normalização é usualmenterealizada através do aquecimento a 900 ºC por 1h seguido por resfriamento ao ar. Após anormalização, o ferro fundido pode ser submetido a um revenimento de 1h a 566 ºC. A Figura8-22e mostra uma microestrutura típica de ferro fundido dúctil normalizado e revenido paraum ferro fundido da classe 80-55-06.

TÊMPERA E REVENIDO: Ferro fundido nodular pode ser resfriado rapidamente em banhode óleo para produzir uma estrutura martensítica temperada com elevada resistência. Algumasvezes os tratamentos de austêmpera e martêmpera são utilizados.

Propriedades de EngenhariaEm geral, os ferros fundidos dúcteis combinam as vantagens do processamento dos

ferros fundidos cinzentos com as vantagens de engenharia dos aços. Nenhum outro materialferroso alcança a versatilidade do ferro fundido dúctil. Este material possui boa fluidez efundibilidade, excelente usinabilidade além de boa resistência ao desgaste. Ainda, os ferros

fundidos nodulares possuem uma série de propriedades semelhantes a alguns aços, comoresistência, tenacidade, ductilidade, trabalhabilidade a quente capacidade de endurecimento.



Propriedades MecânicasA Tabela 8-4, lista as propriedades mecânicas de quatro classes comuns de ferro

fundido dúctil. A Figura 8-23 mostra como o tratamento térmico pode diminuir ou aumentar aresistência dos ferros fundidos dúcteis na faixa de 60 a 120 ksi. Esta grande variação na

resistência é possível visto que os nódulos de grafita não afetam em muito a resistência desteferro fundido quando comparado ao efeito dos veios de grafita em ferro fundido cinzento.

Resistência ao DesgasteA grafita esferoidal no ferro fundido dúctil pode reter óleos e, portanto, prevenir

“ galling ” (escoriação) e “ seizing ” (trinca) das peças quando utilizadas em movimentorelativo. A resistência ao desgaste do ferro fundido nodular é equivalente à do ferro fundidocinzento.

TABELA 8-4

Propriedades mecânicas dos ferros fundidos dúcteisClasse 65-45-12 80-55-06 100-70-03 120-90-02Dureza, Bhn 167 192 235 331Tração:

Máxima resistência 103 psi 67,3 81,1 118,6 141,3Tensão de escoamento a 0,2 %103 psi

48,2 52,5 98,2 125,3

Elongamento % em 2 in 15,0 11,2 4,5 1,5Módulo de elasticidade 104 psi 24,4 24,5 23,5 23,8Coeficiente de Poisson 0,29 0,31 0,28 0,28Compressão:

Tensão de escoamento a 0,2 %103 psi

52,5 56,0 87,5 133,5

Módulo de elasticidade 104 psi 23,6 23,9 22,7 23,8Coeficiente de Poisson 0,31 0,31 0,27 0,27Torção:

Tensão de cisalhamento 103 psi 68,9 73,1 87,3 126,9Tensão de escoamento a 0,0375% 103 psi

30,0 28,0 47,3 71,3

Módulo de cisalhamento 103 psi 9,3 9,0 8,7 9,2



FIGURA 8-23Propriedades mecânicas do ferro fundido dúctil. ( H.E. Henderson, Gray, Ductile and Malleable Iron Castings –

Current Capabilities, ASTM STP 455, 1969, P. 37; Reimpresso, com permissão, de Americam Society for Testing and Materials, 1916 Race St., Philadelphia, PA 19013; Copyright.)

FIGURA 8-24Efeito da microestrutura da matriz e velocidade de corte na vida da ferramenta na usinagem de ferro fundidodúctil. [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland, 1971, p. 518.]

UsinabilidadeFerros fundidos nodulares têm usinabilidade superior em relação ao ferro fundido

cinzento, para durezas equivalentes, como pode ser visto comparando a Figura 8-24 e a Figura

8-16.



8-5 Ferros Fundidos Maleáveis

Tipos de Ferros Fundidos MaleáveisFerro fundido maleável é um importante material de engenharia, já que possui as

propriedades desejadas para fundir, usinar, além de possuir boa tenacidade e ductilidade bemcomo resistência à corrosão para certas aplicações. Resistência adequada e a uniformidade provida pelo tratamento térmico de todos os fundidos.

A estrutura do ferro fundido maleável é obtida pelo tratamento térmico de fundidosque tem a estrutura de ferro fundido branco. Ou seja, o carboneto de ferro da estrutura doferro fundido branco da Figura 8-2 é transformado em uma estrutura maleável (Figura 8-4)

por um tratamento apropriado de recozimento. Faixas de composição química dos ferrosfundidos brancos que são posteriormente tratados termicamente para produzir ferro fundidomaleáveis são apresentadas na Tabela 8-5.

O termo maleável inclui os ferros fundidos maleáveis ferríticos (ou “padrão”), e os ferros fundidos maleáveis perlíticos. Na linguagem comercial, o termo maleável normalmente

se refere ao ferro fundido ferrítico.Igualmente aos ferros fundidos cinzentos e nodulares, os ferros fundidos maleáveis são

normalmente especificados pelo menor valor de resistência à tração. As propriedades detração e aplicações dos ferros fundidos maleáveis ferríticos e perlíticos não ligados sãolistadas na Tabela 8-6. As mais baixas propriedades de tração dos ferros fundidos maleáveisferríticos são devidas a mais fraca matriz ferrítica quando comparada a perlítica. O ferrofundido maleável de alta resistência tem uma matriz de martensita temperada e não umamatriz perlítica.

TABELA 8-5Composição química para ferros fundidos típicos não ligados

ASTM No. 32510 ASTM No. 35018% Carbono 2,30 – 2,65 2,00 – 2,45% Silício 0,90 – 1,40 0,90 – 1,30% Manganês 0,25 – 0,55 0,21 – 0,55% Fósforo 0,18 Menos de 0,18% Enxofre 0,05 – 0,18 0,05 – 0,18

TABELA 8-6Propriedades mecânicas e aplicações de ferros fundidos maleáveis*

Propriedades mecânicas

DesignaçãoResistência

máxima,

** psi

Tensão deescoamento,

** psi

Elongamentotípico,** %

Dureza,Brinell ***

Aplicações típicas

Ferrítico

35018 53.000 35.000 18 110 – 156

Estrutura de máquinas locomotivas, gradesde ferro, ferramentas manuais,

equipamentos para alta pressão, ferragem para industria petrolífera.

35510 50.000 32.500 10 110 – 156Caixa de engrenagens e suportes,

correntes, dobradiças, sistemas de freio,cubos de rodas

Perlítico400104500845006

50005

60.00065.00065.000

70.000

40.00045.00045.000

50.000

1086

5

149 – 197156 – 197156 – 207

179 – 229

Braçadeira em C, suporte para motores adiesel, alavancas caixas de transmissão,

cápsulas de artilharia, engrenagens,

implementos agrícolas600047000380002

80.00085.00095.000

60.00070.00080.000

432

197 – 241217 – 269241 – 285

Pistões para motores a diesel, caixas paraeixos diferenciais, braços de moinhos,discos de embreagem, engrenagens de



90001 105.000 90.000 1 269 – 321 transmissão, juntas universais, manivelas*Retirado do “ASTM Databook”, publicado no Met. Prog., meados de Junho 1974, vol. 106, no. 1.**Mínimo ASTM (A220–68).***AS durezas são listadas apenas por caráter informativo; os valores são típicos porém não fazem parte daespecificação ASTM.

Tratamento Térmico e Microestruturas

FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS FERRÍTICOS. Aplicando um tratamento térmico derecozimento, a estrutura frágil de fusão do ferro fundido branco é convertida em uma estruturamais maleável e tenaz consistindo de nódulos de grafita em uma matriz ferrítica. Estetratamento térmico é chamado de maleabilização. A estrutura inicial dos ferros fundidos

brancos é composta de grandes carbonetos de ferro, perlita e algumas áreas eutéticas (Figura8-26a). O tratamento térmico de maleabilização converte a estrutura anterior em uma novaestrutura com matriz ferrítica e nódulos de grafita revenidos (Figura 8-4). O ciclo de tempo etemperatura de um tratamento típico de maleabilização é mostrado na Figura 8-25.

O tratamento térmico de recozimento para ferro fundido maleável ferrítico consistenos três seguintes passos:

1. Primeiramente a grafita é nucleada. Isto ocorre principalmente no estágio deaquecimento e quando a temperatura começa a ser estabilizada (Figura 8-25).

2. O segundo passo, no qual o ferro é mantido entre 870 a 954 ºC, envolve a eliminaçãode carbonetos e a conversão deste carbono em grafita. Este é o estágio inicial dagrafitização.

3. A terceira e última etapa do tratamento térmico envolve o resfriamento lento do ferro

através da faixa de transformação alotrópica do ferro, onde uma matriz ferrítica livrede cementita e perlita é formada. Esta estrutura resultante é mostrada na Figura 8-26b.

Um grande número de mudanças estrutural ocorre durante a maleabilização:

Nucleação da grafita: Para produzir satisfatoriamente um ferro fundido maleável ferrítico,um número suficiente de núcleos deve ser formado. Os núcleos inicialmente se formam na

perlita do ferro fundido branco e na interface cementita-austenita, ou em inclusões não-metálicas. Alguns dos fatores que influenciam a nucleação da grafita são:

1. Composição Química. Um alto teor de silício favorece a nucleação.

2. Taxa de aquecimento. Aquecimento rápido, até a temperatura de trabalho, diminui onumero de núcleos desenvolvidos.3. Tamanho da seção. Seções finas desenvolvem mais núcleos.4. Pré-tratamento. Um aquecimento preliminar do ferro de 315 a 650 ºC aumenta a

nucleação, depois da maleabilização.

FIGURA 8-25Ciclo de temperatura e tempo para a maleabilização de um ferro branco. (A duração atual do ciclo pode ser muito menor ou mais longa que o indicado.) (C. R. Loper, Jr., e R. W. Heine, C. R. Loper, and P. C. Rosenthal,

“Principles of Metals Casting” McGraw-Hill, New York, 1967, p. 662.)



FIGURA 8-26Microestrutura de ferro fundidos brancos e ferros fundidos maleáveis. (a) Ferro fundido branco hipoeutético(composição nominal 2,5% C, 1,5% Si) como fabricado mostrando uma configuração dendrítica de perlita fina(região escura), e uma mistura interdentrítica de cementita compacta e acicular (região clara) com alguma perlita.(nital 1%; X 100) (b) ASTM A602, ferro fundido maleável ferrítico da classe M3210 recozido em doisestágios, permanecendo 4 h a 950ºC, resfriado a 704ºC em 6 h, resfriado ao ar. Nódulos de grafita do tipo III(carbono revenido) em uma matriz de ferrita granular; as pequenas partículas acinzentadas são MnS. (nital 2%;X 100) (c) Ferro fundido maleável da classe 45008 primeiramente recozido por austenitização a 13-1/2h a 971ºCe resfriado lentamente ao ar. O ferro fundido foi temperado por 2 h a 677ºC. Nódulos de grafita de carbonorevenido do tipo III (preto) em ferrita olho de touro (branco); matriz perlítica levemente esferoidizada por revenimento.(nital 2%; X 500) (d ) Ferro fundido maleável perlítico inicialmente recozido por 13,5 h a 943ºC etemperado em óleo a 82ºC nódulos de grafita de carbono recozido do tipo III (preto) e partículas de MnS (cinza)em matriz de martensita revenida. (nital 2%; X 500) (e) Ferro fundido maleável perlítico centrifugado (3,1% C,1,1% Si, 0,75% Mn) recozido por 1 h a 1093ºC e resfriado ao ar. Ferro fundido foi austenitizado por 1 h a 871ºC,temperado em óleo e revenido 1 h a 482ºC. Nódulos de grafita de carbono revenido (preto) em matriz demartensita revenida (cinza). (nital 5%; X 100) (Metals Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals,Metals Park, Ohio, 1972, p. 95 - 97.)

NUCLEAÇÃO DA GRAFITA: Para produzir satisfatoriamente um fofo maleável ferrítico,um número suficiente de núcleos deve ser formado. Os núcleos inicialmente se formam na

perlita do fofo branco e na interface cementita-austenita. Alguns dos fatores que influenciam anucleação da grafita são:

1. Composição Química. Um alto teor de silício favorece a nucleação.

2. Taxa de aquecimento: Aquecimento rápido, até a temperatura de trabalho, diminui onumero de núcleos desenvolvidos.

3. Tamanho da seção: Seções finas desenvolvem mais núcleos.



4. Pré-tratamento. Um aquecimento preliminar do ferro de 315 a 650 ºC aumenta anucleação, depois da maleabilização.

Primeiro estágio da grafitização: Neste estágio, a cementita do ferro fundido branco é

dissolvida na austenita e o carbono difunde para os núcleos de grafita formados previamente, precipitando, e promovendo o crescimento dos nódulos. O processo é completado quando acementita desaparece. O tempo necessário para completar o processo é dependente do númerode núcleos presentes, da taxa de dissolução da cementita e da taxa de difusão do carbono.Elementos formadores de carbonetos como cromo e manganês, atrasam o término do

processo. O conteúdo de cromo deve ser mantido baixo, e o de manganês deve ser mantido nocorreto equilíbrio com o enxofre para evitar o excesso destes elementos e a estabilização dacementita.

Segundo estágio da grafitização: Neste estágio que envolve resfriamento lento através dafaixa de transformação do ferro, a taxa de resfriamento deve permitir que a austenita se

transforme na ferrita e que o carbono rejeitado se precipite como grafita. Se a taxa deresfriamento for muito rápida haverá formação de perlita. Deve ser mantida uma taxa deresfriamento lenta até ao menos 650 ºC para impedir a formação de perlita.

FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS PERLÍTICOS. Aumento de resistência mecânica eda resistência ao desgaste com redução da ductilidade é obtido produzindo uma estrutura commatriz perlítica ou martensita revenida com nódulos de grafita revenida.

Para produzir uma matriz perlítica no ferro fundido maleável, este deve ser primeiramente recozido por aproximadamente 13h a 970 ºC e resfriado ao ar. Resfriamentolento produziria revestimentos de ferrita como mostrados na Figura 8-26c. Resfriamento ao ar a taxas maiores produzirá menos ferrita e uma estrutura perlítica mais fina como mostrado naFigura 8-26d .

Uma matriz martensítica pode ser obtida por recozimento a 943 ºC por 13h seguido detêmpera em óleo. A faixa de temperaturas de revenimento utilizadas varia de 260 a 727 ºC,dependendo das propriedades desejadas. Figura 8-26e mostra a microestrutura de um ferrofundido maleável martensítico revenido.

Propriedades de Engenharia

As propriedades mecânicas dos ferros fundidos maleáveis ferríticos e perlíticos estão

listadas na Tabela 8-6. Variando a estrutura da matriz, tensões de resistência variando de 50

a100 ksi podem ser obtidas com elongações que variam de 8 a 1 %. Devido a este fato, avantagem dos ferros fundidos maleáveis como dos ferros fundidos dúcteis, é a de que podemser produzidos em uma grande faixa de resistências, se os tratamentos térmicos foremcuidadosamente controlados.

Ferro fundido maleável é um dos materiais com melhor usinabilidade dentre as ligasde ferro. Já que todos os fundidos são tratados termicamente, um alto grau de uniformidade econseqüentemente de usinabilidade é obtido. Ferro fundido maleável perlítico pode ser usinado com excelente acabamento final, possui boa resistência ao desgaste e excelentecapacidade de endurecimento superficial por aquecimento induzido ou chama. Ferrosfundidos maleáveis ferríticos não possuem resistência ao desgaste maior que ligas leves

ferrosas.8-6 LIGAS DE FERRO FUNDIDO RESISTENTES À ABRASÃO



Ferros fundidos coquilhados “Chilled”Para algumas utilizações é necessário produzir um fundido com uma camada

superficial dura e resistente à abrasão e um núcleo mais tenaz. Esse tipo de fundido é produzido normalmente com uma superfície de ferro fundido branco duro e um núcleo de

ferro fundido cinzento mais dúctil. A estrutura de ferro fundido branco é normalmente produzida pelo vazamento do metal fundido em um molde coquilhado de grafita para promover um resfriamento rápido do ferro fundido em solidificação. O resfriamento rápidotende a produzir uma estrutura de ferro fundido branco (carboneto de ferro), enquanto umresfriamento mais lento favorece a ocorrência da grafitização e, portanto, a formação de umaestrutura de ferro fundido cinzento. Visto que esta estrutura duplex é produzida em ferrosfundidos usando coquilhas, estes são chamados de ferros fundidos coquilhados. A espessurada camada coquilhada pode ser controlada até certo grau variando a composição química doferro fundido.

A Figura 8-27 apresenta microestrutura de um ferro fundido níquel – cromo resistenteà abrasão fundido em coquilha. O ferro fundido próximo à coquilha tem uma configuração

dendrítica fina de perlita e carboneto de ferro interdendrítico (Figura 8-27a). A 2 in a partir da coquilha o ferro fundido branco apresenta uma configuração dendrítica grosseira de perlitae carboneto de ferro interdendrítico (Figura 8-27b). A 4 in da coquilha o ferro fundidoapresenta a estrutura cinzenta, com flocos (“flakes”) de grafita do tipo B em uma matriz de

perlita fina (Figura 8-27c).

FIGURA 8-27Microestruturas de ferros fundidos de níquel-cromo resistentes à abrasão fundido em coquilha. (a) Ferro fundido branco próximo a coquilha, mostrando a configuração de dendritas finas de perlita (cinza) e carbonetosinterdendríticos (branco). (b) Ferro fundido branco a 2 in da coquilha, apresentando uma configuraçãodendrítica grosseira de perlita (cinza) e carbonetos interdendríticos (branco). (c) Ferro fundido cinzento a 4 in dacoquilha, apresentando flocos de grafita do tipo B (preto) em uma matriz de perlita fina (cinza) com alguma



ferrita livre (região clara). (nital 2% mais picral 5%; X 100) (Metals Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p.99.)

Ferro fundido brancoOs ferros fundidos brancos podem ser definidos como ferros fundidos nos quais o

excesso de carbono está na forma de carbonetos de ferro ao invés de flocos ou nódulos degrafita. Ferros fundidos brancos não ligados normalmente possuem matriz perlítica fina.Através da adição de elementos de liga como níquel, cromo ou molibdênio, a matriz pode ser alterada para martensítica (ou bainítica) ou austenítica. A Tabela 8-7 lista as composições edurezas Brinell mínimas de alguns ferros fundidos brancos ligados e não ligados.

TABELA 8-7Composição química e dureza de ferros fundidos brancos típicos

% C % Si % Mn % Cr % Ni% P,máx.

% S,máx.

Bhn,min.

Ferro fundido branco Cupola

3,30–3,60 0,40-1,00 0,50-0,70 --- --- 0,30 0,15 400

Ferro fundido branco Cupola(1% Cr)

3,30-3,60 0,40-1,00 0,50-0,70 0,80-1,00 --- 0,30 0,15 444

Ferro fundido branco maleável

2,20-2,50 1,00-1,60 0,30-0,50 --- --- 0,15 0,15 321

Ferro fundidomartensíticoníquel-cromo

3,00-3,60 0,40-0,70 0,40-0,70 1,40-3,50 4,00-4,75 0,40 0,15 550

Ferro fundido

martensíticoníquel-cromo dealta tenacidade

2,90 máx. 0,40-0,70 0,40-0,70 1,40-3,50 4,00-4,75 0,40 0,15 525

Ferro fundido branco altocromo

2,25-2,85 0,25-1,00 0,50-1,25 24,0-30,0 --- 0,40 0,15 500

FERROS FUNDIDOS BRANCOS AO CROMO. O cromo é adicionado a esta categoria deferros fundidos em quantidades entre 1 e 4% para aumentar a dureza e melhorar a resistênciaà abrasão. O cromo é um forte estabilizador de carbonetos e aumenta a tendência à formação

do ferro fundido branco ou de supressão de formação de grafita, especialmente àquelaresultante do resfriamento lento de grandes seções. O cromo é utilizado em quantidades entre12 e 35% para aumentar a resistência à oxidação e corrosão bem como a resistência à abrasão.A microestrutura de um ferro fundidos de alto cromo (28,0% Cr) na condição como fabricadoé apresentado na Figura 8-28.



FIGURA 8-28ASTM A532 tipo III, ferro fundido alto cromo (28% Cr) resistente a abrasão como fabricado. Ferro fundido branco apresentando uma rede interdendrítica de carbonetos de ferro-cromo (branco) e uma configuração

dendrítica de martensita (tons de cinza). (nital 3%; X 100) (Metals Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p.99.)

FERROS FUNDIDOS BRANCOS AO NÍQUEL-CROMO. Ambos, níquel e cromomelhoram a resistência à tração, oxidação e corrosão de ferros fundidos, porém apresentamtendências opostas em relação a grafitização. O níquel estabiliza a grafita, enquanto o cromoestabiliza o carboneto de ferro. Estes dois elementos são adicionados juntos em ferrosfundidos brancos, desta forma seus efeitos na grafitização são contra balanceados.

Pequenas quantidades de níquel e cromo, em torno de 2% Ni e 1% Cr, refinam amatriz perlítica dos ferros fundidos brancos. Para seções maiores que 1 in com 3,3% C, 0,60%Si e 0,50% Mn, uma matriz martensítica é produzida com aproximadamente 3,25% Ni e

1,25% Cr. A Figura 8-29 mostra a microestrutura de um ferro fundido branco Ni-Cr com4,2% Ni e 2,0% Cr, o qual apresentam uma matriz austenítica. Quando este ferro fundido éutilizado em trabalhos de alta abrasividade a austenita se transforma em martensita.

FIGURA 8-29ASTM A532 tipo I, ferro fundido alto cromo resistente a abrasão da classe I (3,3% C, 0,55% Si, 2,0% Cr,4,2%Ni, 0,75% max. Mo) como fabricado em barra de 1 in de diâmetro. Ferro fundido branco apresentando umaconfiguração dendrítica de austenita (preto) e um eutético interdendrítico de austenita (pontos pretos) ecarbonetos (brancos). Austenita é transformada em martensita durante trabalho abrasivo. (nital 3%; X 100)(Metals Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p.99.)



8-7 FERROS FUNDIDOS RESISTENTES À CORROSÃO

A resistência à corrosão de ligas de ferro fundido depende principalmente de suacomposição química e microestrutura. Os fatores dominantes são a composição química e

microestrutura da matriz. Existem três grupos distintos de ferros fundidos altamente ligadosos quais têm sua resistência à corrosão melhorada pa condições ambientais específicas. Estesgrupos são (1) ferros fundidos alto silício, (2) ferros fundidos alto cromo, e (3) ferros fundidosalto níquel. As composições químicas e propriedades mecânicas de algumas ligas importantesde ligas de ferros fundidos são listadas na Tabela 8-8.

TABELA 8-8Composição química e propriedades mecânicas de diversas ligas de ferro fundido resistentes à corrosão

Tipos de ferros fundidos

AnáliseAlto silício(Duriron)

(Durichlor)

Alto CromoAlto Níquel

(Ni-resist)% Carbono 0,4 – 1,0 1,2 – 2,5 1,8 – 3,0% Silício 14 – 17 0,5 – 2,5 1,0 – 2,75% Manganês 0,4 – 1,0 0,3 – 1,0 0,4 – 1,5% Níquel --- 0 – 5 14 – 30% Cromo --- 20 – 35 0,5 – 5,5% Cobre --- --- 0 – 7% Molibdênio 0 – 3,5 --- 0 – 1Dureza Brinell 450 – 500 290 – 400 100 – 230Resistência máxima àtração, 1000 psi

13 – 18 30 – 90 25 – 45

Resistência máxima àcompressão, 1000 psi

--- 100 – 100 – 160

Impacto Charpy,* ft . lb. 2 – 4 20 – 35 60 – 150* Barras de 1,2 in. de diâmetro não entalhadas, quebradas em suporte de 6 in. (ferro fundido cinzento comum tem 25 a 35 ft. lb.)

Ferros Fundidos Alto SilícioCom uma grande quantidade de silício de 12 a 18 %, ferros fundidos passam a ser

muito resistentes à corrosão ácida. Com um conteúdo de silício de 14,5 % ou mais, estesferros fundidos apresentam uma grande resistência a banho em ácido sulfúrico 30% (Fig. 8-30). Ferros fundidos alto silício com 16,5% Si são resistentes a banhos de ácido sulfúrico enítrico em quase todas as concentrações. Entretanto, devido ao seu alto conteúdo de silício,estas ligas apresentam propriedades mecânicas ruins como baixa resistência ao choque

térmico e mecânico, são difíceis de vazar e são não usináveis. As distribuições dos flocos degrafita na microestrutura de dois ferros fundidos com alto teor de silício são apresentadas naFigura 8-32a e b.

Ferros Fundidos Alto CromoFerros fundidos alto cromo contendo de 15 a 30% Cr são ferros fundidos brancos. O

cromo fornece resistência à abrasão e resistência à oxidação. Ferros fundidos alto cromo sãoresistentes a ácidos oxidantes, particularmente ácido nítrico (Figura 8-30b), e são bastanteutilizados para trabalhos com ácidos fracos sob condições oxidantes, com muitas soluçõesácidas orgânicas e com soluções salinas. As propriedades mecânicas dos ferros fundidos aocromo são melhores que aquelas dos ferros fundidos de alto silício (Tabela 8-8). Os ferrosfundidos de alto cromo respondem a tratamentos térmicos em que os conteúdos de carbono ecromo são ajustados adequadamente. Entretanto, a usinagem destas ligas é muito difícil. AFigura 8-33 mostra as microestruturas de dois ferros fundidos de alto cromo resistentes à



corrosão, um dos quais está na condição como fabricado e o outro na condição comofabricado e tratado termicamente.

FIGURA 8-30Vida útil de ferros fundidos comum e alta liga em ácidos sulfúrico e nítrico. (Tipo 5 inclui turbulência). [ C. F.Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Cleveland,1971, p. 328.]

FIGURA 8-31Vida útil de ferros fundidos alta liga em ácido hidroclorídrico e ferros fundidos comum e austenítico emhidróxido de sódio. [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron

Founders’ Society, Cleveland, 1971, p. 328.]



FIGURA 8-32Microestruturas de ferros fundidos alto silício. (a) ASTM A518 ferro fundido alto silício (14,5% Si) resistente àcorrosão como fabricado. Ferro fundido cinzento mostrando flocos de grafita do tipo A (regiões escuras) em umamatriz ferrítica de solução sólida ferro-silício (regiões claras). (HNO3 mais HF, em glicerol; X 100.) (b) Ferrofundido alto silício resistente à corrosão ( 0,9% C, 14,5% Si, 1,0% Mn, 4,5% Cr) como fabricado. Ferro fundidocinzento com flocos de grafita dos tipos A e E (regiões escuras) e (Fe, Cr)3C interdendríticas (regiões clarascontornadas) em matriz de ferrita dendrítica Fe-Si-Cr. (HNO3 mais HF, em glicerol; X 100.) (Metal Handbook, 8

ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p. 99.)

Ferros Fundidos Alto CromoFerros fundidos alto cromo contendo de 15 a 30% Cr são ferros fundidos brancos. O

cromo fornece resistência à abrasão e resistência à oxidação. Ferros fundidos alto cromo sãoresistentes a ácidos oxidantes, particularmente ácido nítrico (Figura 8-30b), e são bastanteutilizados para trabalhos com ácidos fracos sob condições oxidantes, com muitas soluçõesácidas orgânicas e com soluções salinas. As propriedades mecânicas dos ferros fundidos aocromo são melhores que aquelas dos ferros fundidos de alto silício (Tabela 8-8). Os ferrosfundidos de alto cromo respondem a tratamentos térmicos em que os conteúdos de carbono ecromo são ajustados adequadamente. Entretanto, a usinagem destas ligas é muito difícil. AFigura 8-33 mostra as microestruturas de dois ferros fundidos de alto cromo resistentes àcorrosão, um dos quais está na condição como fabricado e o outro na condição comofabricado e tratado termicamente.



FIGURA 8-33Microestruturas de ferros fundidos alto cromo resistentes à corrosão. (a) Ferro fundido alto cromo resistente àcorrosão (3,09% C, 0,52% Si, 17,8% Cr, 3,3% Mo, 0,46% V) como fabricado. Ferro fundido branco

apresentando eutético (Cr, Fe)7C3 (região clara contornada), interdendrítico e como incrustações, e alguma perlita (cinza) em uma matriz ferrítica de solução sólida Fe-Cr. (reagente Vilella; X 250.) (b) Ferro fundido altocromo resistente à corrosão assim como em a, porém, normalizado a 1010 ºC, resfriado ao ar e temperado a 260ºC. Ferro fundido branco apresentando eutético (Cr, Fe)7C3 (região clara contornada), interdendrítico e em formade incrustações radiais, em uma matriz de martensita revenida. (reagente Vilella; X 250.) (Metal Handbook, 8ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p.100)

Ferros Fundidos Alto NíquelFerros fundidos alto níquel austeníticos são amplamente utilizados e são geralmente

conhecidos como ferros fundidos Ni-Resist . Ferros fundidos cinzentos austeníticos contendode 14 a 30% Ni são consideravelmente resistentes a ácidos oxidantes de média “força”,

incluindo ácido sulfúrico a temperatura ambiente (Figura 8-30a). Ferros fundidos alto níquelsão mais resistentes a alcalinos que ferros fundidos não ligados. Ni-Resist é particularmenteútil para alcalinos a altas temperaturas (Figura 8-31b).

Ferros fundidos alto níquel, devido à sua matriz austenítica, são os mais tenazes detodos os ferros fundidos com flocos de grafita. Têm excelente usinabilidade e boas

propriedades de fundição, todavia, sua máxima resistência à tração é relativamente baixa (20 a45 ksi) devido aos flocos de grafita. Ferros fundidos dúcteis de alto níquel apresentam maior resistência e ductilidade em virtude de possuírem grafita nodular. As microestruturas de doisferros fundidos alto níquel (grafita tipo flocos) resistentes à corrosão são mostradas na Figura8-34.



FIGURA 8-34Microestruturas de ferros fundidos alto níquel resistentes à corrosão. (a) Ferro fundido alto níquel (30% Ni, 3%Cr) resistente à corrosão (ASTM A436, tipo 3) como fabricado. Microestrutura de ferro fundido cinzentoapresentando flocos de grafita do tipo A (constituintes escuros) e algum (Fé, Cr)3C (região acinzentada) em uma

matriz austenítica de alto níquel. (nital 2% mais picral 5%; X 250.) (b) Ferro fundido alto níquel resistente àcorrosão (2,7% C, 2,8% Si, 1,4% Mn, 20,0% Ni, 2,4% Cr) como fabricado. Estrutura: ferro fundido cinzentoapresentando grafita interdendrítica (região escura) dos tipos D e E, e carbonetos interdendríticos (região claracontornada) em uma matriz de austenita (região clara). (nital 5%; X 500.) (Metal Handbook, 8 ed., vol. 7,

American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p.100)

8-8 LIGAS DE FERRO FUNDIDO RESISTENTES AO CALOR

Ligas de ferro fundido cinzento e dúctil resistentes ao calor são ligas Fe-C-Si comadições de silício (acima de 3%), cromo, níquel, molibdênio ou alumínio para melhoras as

propriedades a altas temperaturas. As composições químicas e propriedades mecânicas dealgumas ligas de ferro fundido resistentes ao calor industrialmente importantes são listadas naTabela 8-9.

TABELA 8-9Composições químicas e propriedades mecânicas de ligas de ferro fundido resistentes ao calor

Tipos de ferro fundido



AnáliseAlto silício

(silal)Alto cromo

Alto níquel(Ni-Resist)

Níquel-cromo-silício

Alto alumínio

% Carbono 1,6 – 2,5 1,8 – 3,0 1,8 – 3,0 1,8 – 2,6 1,3 – 2,0% Silício 4,0 – 6,0 0,5 – 2,5 1,0 – 2,75 5,0 – 6,0 1,3 – 6,0% Manganês 0,4 – 0,8 0,3 – 1,5 0,4 – 1,5 0,4 – 1,0 0,4 – 1,0

% Níquel --- 0 – 5 14 – 30 13 – 32 ---% Cromo --- 15 – 35 1,75 – 5,5 1,8 – 5,5 ---% Cobre --- --- 0 – 7 0 – 10 ---% Molibdênio --- --- 0 – 1 0 – 1 ---% Alumínio --- --- --- --- 20 – 25Dureza Brinell 170 – 250 250 – 500 130 – 250 110 – 210 180 – 350Resistência máximaà tração, 1000 psi

25 – 45 30 – 90 25 – 45 20 – 45 13 – 16

Resistência máximaà compressão, 1000 psi

90 – 150 100 – 100 – 160 70 – 100 ---

Impacto Charpy,* ft .lb.

15 – 23 20 – 35 60 – 150 80 – 150 ---

* Barras de 1,2 in. de diâmetro não entalhadas, quebradas em suporte de 6 in. (ferro fundido cinzento comum tem 25 a 35 ft. lb.)

Em temperaturas acima de 425 ºC, as propriedades mecânicas de ferros fundidosdecrescem gradualmente com o aumento da temperatura e o ferro sofre mudanças químicas decrescimento e oxidação.

Crescimento é um aumento permanente no volume que ocorre a elevadas temperaturasem alguns ferros fundidos, particularmente no ferro fundido cinzento. Este fenômeno écausado principalmente (1) pela expansão que acompanha a reação de mudança de Fe 3C paragrafita e ferro e (2) pela oxidação do ferro após a oxidação da grafita que forma monóxido decarbono.

Oxidação também pode ocorrer na superfície de peças de ferro fundido após exposição

a altas temperaturas. Se a superfície oxida formar escamas nos poros ou flocos a altastemperaturas uma oxidação continuada do metal irá ocorrer. Eventualmente, a resistência domaterial irá diminuir devido à perda de material.

Ferros Fundidos ao Cromo

Cromo é adicionado para melhorar a resistência ao calor de ferros fundidos porquecolabora com a estabilização dos carbonetos e forma um óxido protetor na superfície dometal. Mesmo pequenas adições de cromo (0,5 a 2,0%) reduzem o crescimento em ferrosfundidos cinzentos sujeitos a aquecimentos cíclicos até 800 ºC, como mostrado na Figura 8-35. Após extenso serviço a altas temperaturas, a matriz perlítica de um ferro fundido cinzentoresistente ao calor 0,8% Cr como fabricado é transformada para ferrita e cementitaesferoidizada, como mostrado na Figura 8-36a e b. Maiores adições de cromo de 15 a 35%fornecem excelente resistência à oxidação e crescimento para temperaturas acima deaproximadamente 980 ºC (Figura 8-37). Entretanto, estes ferros fundidos com alto cromo têmestrutura de ferro fundido branco. Portanto apresentam boas propriedades de resistência emcontraste à usinabilidade limitada.



FIGURA 8-35

Efeito do cromo no crescimento dos ferros fundidos cinzentos quando sujeitos a aquecimentos cíclicos até 800ºC. [C. O. Burgess e A. E. Shrubsall, Trans. AFS., 50 (1942):405.]

FIGURA 8-36Microestruturas de ferros fundidos resistentes ao calor. (a) Ferro fundido resistente ao calor ASTM A319, (3,5%min. C, 0,66 – 0,95%Cr) como fabricado. Ferro fundido cinzento com flocos de grafita do tipo A em matriz de perlita. (nital 2% mais picral 4%; X 500) (b) Mesmo ferro anterior, porém após extensivo trabalho a altastemperaturas. Aproximadamente toda cementita na matriz original de perlita foi esferoidizada, portanto, a matrizagora é ferrítica. (nital 2%; X 500). (Metal Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park,

Ohio, 1972, p.100)



FIGURA 8-37Efeito do cromo na perda de massa por oxidação por escamação de ligas de ferro fundido em diversastemperaturas ao ar. (C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Cleveland, 1971, p. 272.)

Ferros Fundidos de Alto SilícioConteúdos de silício abaixo de 3,5% aumentam a taxa de crescimento de ferrosfundidos cinzentos por promover a grafitização. Entretanto, conteúdos de silício de 4 a 8%reduzem fortemente a oxidação (escamação) e o crescimento. O silício aumenta a resistência àescamação de ferros fundidos pela formação de uma superfície oxida clara que é insensível aatmosferas oxidantes. O silício também aumenta a temperatura de transformação de ferrita

para austenita para aproximadamente 900 ºC, portanto, a expansão e contração devidas àtransformação podem ser evitadas acima de 900 ºC. A resistência à oxidação a altastemperaturas dos ferros fundidos alto silício Cel é comparada a outras ligas de ferro fundidona Figura 8-38. A Figura 8-39 mostra a microestrutura de um ferro fundido alto silícioresistente ao calor na condição como fabricado.



FIGURA 8-38Oxidação de diversas ligas de ferro fundido em função da temperatura por 200 h ao ar. ( C. F. Walton (ed.), Gray

and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society, Cleveland, 1971, p. 272.)

FIGURA 8-39Ferro fundido alto silício resistente ao calor (3,5% C, 3,5%Si, 0,7% Mn) como fabricado. Estrutura mostrandonódulos de grafita carbono-temperado em uma matriz de 15% de perlita (constituintes em cinza irregular) e 85%de ferrita livre (região clara). (nital 3%; X 100) (Metal Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals,Metals Park, Ohio, 1972, p.100.)

Ferros Fundidos Alto NíquelFerros fundidos austeníticos contendo 18% ou mais Ni, acima de 7% Cu, e de 1,75 a

4% C são utilizados para aplicações em que resistência ao calor e à corrosão são necessárias.Os ferros fundidos Ni-Resist apresentam boa resistência à escamação a altas temperaturas eao crescimento acima de aproximadamente 815 ºC para a maioria das atmosferas oxidantes.Em atmosferas contendo enxofre, todavia, a quantidade de níquel destas ligas restringe seuuso a temperaturas inferiores a 500 ºC.

Os ferros fundidos austeníticos contendo níquel têm tenacidade e resistência ao choqueconsideravelmente maior que as outras ligas de ferro resistentes ao calor contendo silício ecromo. Os ferros fundidos alto níquel com grafita nodular são consideravelmente maisresistentes e apresentam maior ductilidade comparado às ligas ferro-níquel com grafita emflocos.



8-9 FERROS FUNDIDOS DÚCTEIS AUSTEMPERADOS

Ferros fundidos dúcteis e austemperados (ADIs) são materiais únicos que combinam aresistência mecânica e a resistência ao desgaste comparado a alguns aços trabalhados com o

baixo custo e a flexibilidade de projeto dos ferros fundidos. ADIs atualmente são foco demuita pesquisa e desenvolvimento e encontram aplicações particulares para maquinaria pesada e equipamentos de transporte.

Processo de Tratamento Térmico de Austêmpera para ADIs

Ferros fundidos austemperados são solidificados como ferros fundidos dúcteis e entãosão tratados termicamente por austêmpera (ver seção 2-8). No processo de austêmpera paraADIs, a peça é primeiramente austenitizado, geralmente na faixa de 871 a 927ºC, para

produzir uma estrutura de austenita e grafita nodular. A peça é temperada em salmoura a uma

temperatura acima da qual a martensita começa a se formar e mantida por um tempoespecífico isotermicamente, normalmente na faixa de 316 a 371ºC, e depois resfriado àtemperatura ambiente. A Figura 8-40 ilustra esquematicamente o ciclo de tratamento térmicodo ADI.

FIGURA 8-40Diagrama esquemático ilustrando as várias fases encontradas durante a austêmpera do ferro fundido dúctil.

No tratamento de austêmpera, a têmpera da região austenítica até a temperatura detransformação isotérmica (C para D na Figura 8-40) deve ser rápida o suficiente para evitar a

formação da transformação perlítica caso se deseje obter a máxima tenacidade e ductilidadeatingíveis. A reação isotérmica na austêmpera de um ferro fundido dúctil é diferente daquelaem um aço comum ao carbono (por exemplo um aço AISI 1080) em que a microestrutura deaustenita e ferrita (ausferrita) é primeiramente produzida ao invés da bainita (ferrita ecarboneto). A reação bainítica em equilíbrio em um ADI ocorre mais lentamente do que emum aço comum ao carbono.

A Reação Isotérmica em Ferros Fundidos Dúcteis AustemperadosA reação isotérmica em um ADI ocorre em dois estágios. No primeiro estágio (D para

E na Figura 8-40), placas de ferrita são formadas na austenita (estrutura ausferrita), e oexcesso de carbono rejeitado por estas placas é difundido na austenita adjacente. Estaaustenita de alto carbono é bem estável e um componente importante dos ADIs que possuemalta resistência e tenacidade. A Figura 8-41 mostra a estrutura de um ADI a 100 e 1000 X. Asupressão da formação da cementita num ADI durante o estágio 1 acredita-se ser causada por



seu alto conteúdo de silício. O silício tem uma solubilidade muito baixa na cementita e entãodeve ser rejeitado da austenita nas áreas onde a cementita irá crescer.

O segundo estágio da transformação isotérmica durante a austêmpera de um ferrofundido dúctil consiste na decomposição da matriz austenítica remanescente em ferrita

bainítica e carbonetos de ferro (caminho E para G na Figura 8-40). A formação damicroestrutura ferrita-carboneto diminui a ductilidade e a tenacidade do ADI, desta forma atransformação isotérmica deve ser terminada em E antes do início deste estágio.

Em geral, existem duas faixas de temperatura usadas na austêmpera de um ferrofundido dúctil: uma alta acerca de 400ºC e uma baixa a 300ºC. A temperatura detransformação mais alta produz uma microestrutura grosseira de ausferrita (Figura 8-41) aqual possui maior ductilidade e menor resistência com uma dureza de cerca de 30-45Rockwell C. A menor temperatura de transformação produz uma ausferrita fina com maior resistência e menor ductilidade e uma dureza de cerca de 45-50 Rockwell C. A Figura 8-42compara a resistência máxima versus a elongação dos ADIs com outros ciclos de tratamentostérmicos de ferros fundidos dúcteis, e a Tabela 8-10 lista as propriedades mecânicas

requeridas para alguns ADIs.

FIGURA 8-41Micrografias ópticas ilustrando microestruturas de transformação de bainita superior para um ferro fundido

dúctil austemperado. Tratamento térmico: austenitização a 982ºC, austêmpera a 400ºC por 300 min.; atacadocom picral 4%, (a) 100 X; (b) 1000 X (W. J. Dubensky e K. B. Rundman, AFS Trans. 93(1985):389.)



FIGURA 8-42Comparação da resistência máxima e ductilidade de ferros fundidos dúcteis austemperados e outras classes deferros fundidos dúcteis. [ R. B. Gundlach e J. F. Janowak, First International Conference on Austempered Ductile Cast Iron, ASM (1984) p. 1.]

Tabela 8-10Norma ASTM A 897-90 e A 897M-90 propriedades mecânicas requeridas para ferros fundidosdúcteis austemperados.*

Tensão Max. (min) Tensão Esc. (min) Impacto** Dureza, HB%

Classe MPa ksi MPa Ksi

Elongação,

% J ft . lbf HB***125-80-10 ... 125 ... 80 10 ... 75 269-321850-550-10 850 ... 550 ... 10 100 ... 269-321150-100-7 ... 150 ... 100 7 ... 60 302-3631050-700-7 1050 ... 700 ... 7 80 ... 302-363175-125-4 ... 175 ... 125 4 ... 45 341-4441200-850-4 1200 ... 850 ... 4 60 ... 341-444200-155-1 ... 200 ... 155 1 ... 25 388-4771400-1100-1 1400 ... 1100 ... 1 35 ... 388-477230-185 ... 230 ... 185 **** ... **** 444-5551600-1300 1600 ... 1300 ... **** **** ... 444-555* “Metals Handbook” vol. 1, 10ed., ASM International, 1990, p.34.** Barras testadas em ensaio Charpy sem entalhe a 22-4 ºC. Os valores na tabela são o mínimo para a média dos três maiores valores dos

testes de quatro amostras testadas.*** A dureza não é mandatória e serve apenas como informação.**** Os requerimentos de elongação e impacto não são especificados. Entretanto as classes 200-155-1, 1400-1100-1, 230-185, 1600-1300são principalmente usadas em engrenagens e aplicações que exigem resistência ao desgaste, as classes 200-155-1 e 1400-1100-1 possuemaplicações onde algum sacrifício na resistência ao desgaste é aceitável para fornecer uma quantidade limitada de ductilidade e tenacidade.

Para ADIs não ligados os dois estágios da reação isotérmica tendem a se sobrepor auma certa extensão, e isso produz uma janela estreita para o tempo de austêmpera (Figura 8-43). Adicionando elementos de liga em ADIs, como por exemplo, 1,5% Ni e 0,3% Mo, osegundo estágio da reação bainítica é atrasado e a janela de austêmpera é aumentada (Figura8-43). A adição de Ni e Mo também aumenta a capacidade de endurecimento dos ADIs, pois

a formação da perlita (Figura 8-40, caminho CD) durante a têmpera até a temperatura deaustêmpera é menos provável.



FIGURA 8-43Comparação do elongamento versus tempo de austêmpera para um ferro fundido dúctil não ligados e umcontendo 1,5% Ni – 0,3% Mo. ( R. B. Gundlach e J. F. Janowak, Met. Prog., Julho de 1985, p.19.)

Embora muitas questões perdurem no sentido da otimização da composição química edo controle microestrutural, os ADIs fornecem um material com alta resistência mecânica,

boa resistência ao desgaste e boa tenacidade para muitas aplicações de engenharia. Maisaplicações de ferros fundidos dúcteis austemperados são esperadas para o futuro,especialmente para engrenagens e maquinaria pesada.

ferros fundidos

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