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 de serem trabalhados no estado sólido. Diferentemente dos aços que contém menos de 2% de carbono 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 não metálicos são adicionados para controlar e variar propriedades específicas. Além da composição química, outros fatores importantes que afetam as propriedades são: o processo de solidificação, a taxa de solidificação e os tratamentos térmicos posteriores. Ferros fundidos produzem excelentes ligas com uma ampla variedade de resistências e durezas que, na maioria dos casos, são fáceis de serem usinadas. Elementos de liga são adicionados para melhorar as propriedades de resistência ao desgaste, abrasão e corrosão. Seu uso em larga escala é resultado primeiramente de seu comparativamente baixo custo aliado a propriedades de 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 milhares de aplicações de engenharia.

1. Classificação dos Ferros Fundidos

Quatro tipos básicos de ferros fundidos podem ser diferenciados pela distribuição de carbono em suas microestruturas. Visto que as composições químicas dos diferentes tipos de ferro fundido podem se sobrepor, estes não podem ser diferenciados através de análises químicas. 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 a Figura 8-1 mostra as faixas aproximadas de seus conteúdos de carbono e silício em comparação com os aços.

Elemento Fofo Cinzento Fofo Branco Fofo Maleável Fofo Dúctil Carbono 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 máx TABELA 8-1 Composição química(em %) para ferros fundidos típicos não ligados

FIGURA 8-1 Faixa aproximada dos conteúdos de carbono e silício de 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 combinado com 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 e frágeis, apresentam uma superfície “branca” fraturada cristalina. Também possuem alta resistência à compressão e ao desgaste.

FIGURA 8-2 Microestrutura de ferro fundido branco. O constituinte branco é carboneto de ferro. As áreas cinza são perlita não dissolvida. (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 e a 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 fundidos cinzentos têm uma boa fluidez dentre as ligas ferrosas e por isso pode-se ser fabricar peças de formas geométricas mais complexas e com seções reduzidas. Estes possuem excelente usinabilidade em níveis de dureza, que garante uma boa resistência ao desgaste. A aparência de “superfície fraturada” destas ligas possui uma coloração levemente acinzentada, por isso o termo “ferro fundido cinzento”.

FIGURA 8-3 Ferro fundido cinzento perlítico na condição de recozido; a estrutura mostra flocos de grafita como constituintes escuros atacados. (Ataque: nital 2%; X 100) (Cortesia da Central Foundry.)

FIGURA 8-4 Ferro fundido maleável ferrítico na condição de recozido; a estrutura apresenta grafita em forma de nódulos irregulares em matriz ferrítica. (Ataque: nital 2%; X 100) (Cortesia da Central Foundry.)

Ferro Fundido Maleável Este tipo de ferro fundido tem a maioria do seu carbono na forma de nódulos irregulares de grafita (Figura 8-4). O ferro fundido maleável é primeiramente fundido como ferro fundido branco, com uma composição química adequada. Então, durante um tratamento térmico de recozimento freqüentemente chamado de maleabilização, a grafita nucleia e cresce a 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 recozimento efetuado. Entretanto, como é requerida inicialmente a rápida solidificação para formar ferro fundido 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 ou flocos de grafita. Por esta razão ele também é conhecido como ferro fundido nodular nos Estados Unidos e como ferro fundido esferulítico (ferro SG) na Inglaterra. A figura 8-5 mostra 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 mesmo ainda no estado líquido antes do vazamento. A composição química dos ferros fundidos dúcteis é semelhante a dos ferros fundidos cinzentos, porém com teores mais baixos de elementos 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 fundido maleável, podem ser fundidos com uma ampla gama de tamanhos com seções finas e espessas.

FIGURA 8-5 Ferro fundido ferrítico dúctil na condição de recozido. A estrutura mostra esferas regulares de grafita como constituinte escuro atacado. (Ataque: nital 2%; X 100) (Cortesia da Central

Foundry.)

Ferros Fundidos de Alta Liga

Este grupo de ferros fundidos inclui os ferros fundidos brancos de alta liga, os ferros fundidos cinzentos de alta liga e os ferros fundidos dúcteis de alta liga. Este grupo de ferros fundidos ligados é separado dos demais, pois possui propriedades especiais, consideravelmente diferentes quando comparado aos FOFOS sem ou com baixos teores de elementos de liga, como alta resistência a abrasão, ao calor e a corrosão. Eles são geralmente especificados pela sua composição química, porém, exigências de propriedades mecânicas também podem ser incluídas. 8-2 O Sistema Ferro-Carbono-Silício

Os ferros fundidos contêm teores consideráveis de silício (1 a 3 % em peso) assim como 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 sistema ferro-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 fase estável ferro-grafita. Por outro lado, resfriamento rápido e a presença de certos elementos de liga 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 diagrama de fases ferro-carbono. Adições de silício da ordem de 2 a 4% diminuem o teor de carbono eutetóide para 0,6 e 0,4% respectivamente. Também, adições dessa ordem diminuem a solubilidade 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 de silício ao sistema ferro-carbono promove a reação eutética e eutetóide em uma faixa de temperaturas acima da faixa encontrada no diagrama ferro-carbono. A temperatura aumenta na 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% de silício. (Cortesia da American Foundrymen’s Society.)

8-3 Ferro Fundido Cinzento Pelo fato dos ferros fundidos cinzentos apresentarem tantas características úteis, eles são 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 fundido cinzento proporcionam algumas de suas principais propriedades como a usinabilidade em valores de dureza que produzem superior resistência à abrasão, a habilidade de suportar pouca lubrificação sem “esfolamento”, e excelente amortecimento de vibrações. O ferro fundido cinzento tem resistência comparável aos aços de alta resistência para aplicações onde é requerida resistência à compressão, estabilidade dimensional e onde alinhamento sob tensão é solicitado. Classes de Ferros Fundidos Cinzentos Ferros fundidos cinzentos são usualmente classificados pela mínima resistência a tração suportada com uma dada seção transversal. A maioria dos ferros fundidos cinzentos é classificada de acordo com a norma A48 da ASTM, na qual as classes variam em resistência à tração de 20.000 a 60.000 psi (Tabela 8-2). Outras especificações são utilizadas para produtos especiais. A resistência dos ferros fundidos depende principalmente da estrutura da sua matriz e 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 como hipoeutético, enquanto que outro com mais de 3,6%C e 2%Si será hipereutético.

Classe Resistência máxima à tração mínima, psi 20A 20.000 30A 30.000 40A 40.000 50A 50.000 60A 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), dendritas de austenita primária começam a se formar no liquidus [ponto (1)] (cerca de 1250 ºC) e continuam a crescer no líquido até o início da solidificação eutética que ocorre em torno de 1150 ºC no ponto (2). O eutético começará a solidificar sobre uma pequena faixa de temperatura [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 austenita estará saturada com cerca de 1,7% C.

O resfriamento lento abaixo do solidus dos pontos (3) a (4) é acompanhado pela rejeição de carbono da austenita e sua precipitação na grafita existente no eutético. O excesso de 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 já existentes. A microestrutura final é formada de regiões ferríticas, originadas das dendritas austeníticas primárias, juntamente com outras regiões misturadas de ferrita e veios ou flocos de grafita, originadas do eutético de austenita-grafita, este tipo de estrutura é mostrada na Figura 8-8. Nos ferros fundidos cinzentos comerciais o processo de solidificação é muito mais complexo por causa dos efeitos da presença de muitos outros elementos e da introdução de muitas outras variáveis como a taxa de solidificação e tamanho de seção.

FIGURA 8-7 Seção do ferro-grafita-silício. Diagrama ternário em equilíbrio para 2% de silício. (1) a (2): Dendritas de austenita sendo formadas e crescendo até que temperatura em (2) seja alcançada. (2) a (3): Congelamento eutético ocorre entre as temperaturas (2) e (3). Se o ferro solidificar como ferro fundido cinzento, o eutético será uma mistura de austenita e grafita. (3) a (4): Com o decréscimo da temperatura na região da austenita + carboneto, o carbono será rejeitado da austenita como grafita e se precipitará como flocos de grafita no eutético. (4) a (5): Solidificação em equilíbrio através do campo eutetóide resultará na transformação da austenita para ferrita e a precipitação do carbono remanescente nos flocos de grafita. [C. F. Walton (ed.),

Gray and Ductile Iron

Castings Handbook, Gray

and Ductile Iron Founders’

Society, Inc., Cleveland,

1971, p. 364.]

FIGURA 8-8 Microestrutura de uma liga Fe-C-Si hipoeutetóide resfriada lentamente. Note que as áreas de ferrita foram formadas a partir das dendritas austeníticas originais (VERIFICAR SE ESTÁ CORRETO) e o eutético ferrita-grafita foi formado a partir do eutético austenita-grafita original.

Efeitos da Composição Química na Microestrutura do Ferro Fundido Cinzento Carbono e silício são os elementos de liga majoritários presentes nos ferros fundidos cinzentos e exercem a maior influência em sua microestrutura. Entretanto, todos elementos produzem efeitos microestruturais em algum grau. Elementos que produzem grafitização (a formação 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 ferros fundidos 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 com a reação:

Fe3C → 3 Fe + C (Grafita)

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

FIGURA 8-9 Efeito da porcentagem de carbono e silício no tipo 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 no ferro fundido cinzento, e assim quando a porcentagem destes elementos é aumentada, a formação 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 uma matriz de ferrita. Entretanto, se de 0,5 a 0,8 % do carbono estiver combinado na forma de cementita, 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 do carbono equivalente (CE). O carbono equivalente leva em conta os conteúdos de carbono e silício 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, um equivalente de carbono de cerca de 4,3 indica que a liga é de composição aproximadamente eutética. Uma liga com CE abaixo de 4,3 seria hipoeutética, e outra com mais de 4,3 seria hipereutética.

FIGURA 8-10 Microestrutura de um ferro fundido cinzento mostrando partículas acinzentadas angulares de sulfeto de manganês. Já que o MnS solidifica acima da temperatura de solidificação do ferro, este composto forma 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 ferros fundidos. 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 o sulfeto 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 dispersão aleatória de partículas de sulfeto de manganês angulares é criada. A Figura 8-10 mostra algumas destas partículas de MnS. Estas partículas têm pouca influência na fundibilidade e nas propriedades de uso dos ferros fundidos comerciais.

O efeito tanto do enxofre quanto do manganês quando adicionados sozinhos aos ferros fundidos é de restringir a grafitização e promover a formação de perlita. Desta forma, tanto o enxofre quanto o manganês sozinhos nos ferros fundidos são elementos estabilizadores de carbonetos. Entretanto, quando ambos estão presentes, seus efeitos de estabilizadores são anulados. Se uma estrutura perlítica é desejada, por exemplo em um ferro fundido cinzento, é adicionado 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 8-11 Microestrutura de um ferro fundido cinzento mostrando o constituinte contendo fósforo "esteadita", o qual, com baixos conteúdos de fósforo, forma-se como partículas separadas. [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron

Castings Handbook, Gray and Ductile

Iron Founders’ Society, Inc., Cleveland,

1971, p. 105.]

FÓSFORO. Ferros fundidos contendo fósforo suficiente, especialmente os cinzentos, podem formar um eutético de ferro e fosfato de ferro chamado de esteadita. A esteadita, que possui um baixo ponto de solidificação (entre 954 e 980 ºC), solidifica-se a temperaturas relativamente baixas e segrega nos contornos das células de solidificação. Com teores de 0,2% de fósforo, típico de muitos ferros fundidos, a esteadita solidifica-se na junção de três células para formar constituintes côncavos de geometria triangular como aqueles mostrados na Figura 8-11.

Em níveis mais altos de fósforo a esteadita forma constituintes muito maiores. Desde que o fosfato de ferro é duro e frágil, um aumento na quantidade de esteadita (isto é, acima de 0,3% P) em um ferro fundido pode aumentar sua dureza e fragilidade, diminuindo sua usinabilidade. Entretanto, este componente duro também aumenta a resistência ao desgaste, portanto, sua presença é desejável para algumas aplicações.

FIGURA 8-12 Os 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 e distribuições 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 mostrados na Figura 8-12. Flocos do tipo A com uma distribuição aleatória e tamanho pequeno são considerados desejáveis. Contudo, na prática, tipos interdendríticos segregados e tipos celulares estão freqüentemente presentes. Veios do tipo E, com segregação interdendrítica e orientação preferencial são freqüentemente encontrados em ferros fundidos hipoeutéticos. Muitos pesquisadores atribuem a formação de veios de grafita do tipo D a um efeito de subresfriamento durante a solidificação. Grandes veios com orientação aleatória serão formados quando as taxas de resfriamento e nucleação forem baixas e a grafitização for fácil. Pequenos veios se formam quando 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 o ferro-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 células eutéticas finas é favorecida2. Acredita-se que a inoculação proporciona núcleos para a formação de grafita eutética, sendo assim, evita o subresfriamento da temperatura de solidificação. 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 são mostradas na Figura 8-13. A matriz metálica proporciona a resistência básica dos ferros fundidos cinzentos. Quanto mais dura e resistente for a matriz metálica, mais duro e resistente será 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 como mostrado nas microestruturas da Figura 8-13a e b. Entretanto, bandas negras de perlita ocorrem 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 cinzentos é relativamente baixa. A classe 30 é mais resistente (30.000 psi mín.) e sua microestrutura é constituída de uma matriz mista de ferrita e perlita, como mostrado na Figura 8-13c e d. Entretanto, os veios ou flocos de grafita são grosseiros, apesar do tipo desejado A. A matriz mista de perlita-ferrita é 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 na composição 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 foram formadas pela solidificação rápida. A taxa de solidificação possui um grande efeito na microestrutura e conseqüentemente nas 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 resfriamento muito lentas favorecem a formação de uma matriz de ferrita. Portanto, resfriamentos lentos levam 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 8-13 Microestruturas de ferros fundidos cinzentos das classes 20, 30 e 40. (a) Ferro fundido da classe 20 submetido a alívio de tensões por 1 h entre 607 e 621 ºC. Estrutura: Como fundido consistia de flocos de grafita do tipo D em matriz de ferrita, bandas escuras de perlita surgem nos contornos das células. (picral 3%; X 100) (b) Fofo da classe 20 recozido a 788 ºC 1h por polegada de espessura; resfriado ao forno até 472 ºC, resfriado ao ar. Grafita do tipo A em matriz livre de ferrita e perlita; bandas escuras nos contornos das células. (nital 5%; X 100) (c) Fofo da classe 30 estrutura de como fabricado em molde de areia: flocos de grafita do tipo A em matriz de 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 do tipo A em matriz de perlita (lamelas alternadas). (nital 3%; X 500) (e) Fofo da classe 40. Estrutura: flocos de grafita do tipo D em matriz de perlita fina, contendo diversas partículas de carbonetos (região clara) devido à rápida solidificação. (nital 2%; X 100) (f) Fofo da classe 40, o mesmo de (e), porém com maior aumento; estrutura mostra detalhes da perlita fina na matriz. (nital 2%; X750) [Metal

Handbook, 8 ed., vol. 7, American

Society 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 está completa age de maneira similar a um tratamento térmico. Portanto, uma estrutura ferrítica ou uma estrutura perlítica é obtida basicamente pela taxa de resfriamento depois da solidificação. Carbono e silício são os elementos mais importantes que determinam as propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. Em geral, conforme o equivalente de carbono decresce, a resistência dos fofos cinzentos é aumentada. O efeito do CE e do tamanho da seção na resistência a tração de um ferro fundido cinzento é mostrado na Figura 8-14. Quando a 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 resfriamento rápido e revenimento podem ser utilizados para aumentar a resistência dos fofos cinzentos. A relativa baixa resistência à tração dos ferros fundidos cinzentos é devida ao entrelaçamento dos veios de grafita, como mostrado na micrografia eletrônica de varredura da Figura 8-15. Quanto maior o conteúdo de grafita e quanto mais grosseiros os grãos, mais a resistência do ferro fundido é reduzida. Os frágeis veios de grafita enfraquecem a matriz e agem 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 e Wallace1. Eles descobriram que o acréscimo de dendritas austeníticas primárias melhora a resistência à tração dos fofos cinzentos. Em condições onde a quantidade de dendritas e de CE é semelhante, grandes quantidades de grafita do tipo A e células eutéticas refinadas parecem favorecer 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 de dendritas austeníticas primárias longas, quase que totalmente grafita do tipo A, células eutéticas refinadas, e uma matriz perlítica. Esta estrutura é obtida pela adição de nitrogênio a uma base fundida contendo pequenas quantidades de titânio.

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

FIGURA 8-14 Efeito do equivalente de carbono (CE) e tamanho da seção na resistência à tração de barras de ferro fundido cinzento. [Carbono equivalente = %C + 0,3 (%Si + %P).] (J. F. Wallace,

Foundry, December 1963, p.

40.)

FIGURA 8-15 Micrografia eletrônica de varredura de um ferro fundido cinzento hipereutético com matriz atacada para mostrar a disposição da grafita do tipo B no espaço. (Metal

Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for

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

FIGURA 8-16 Influência da microestrutura da matriz e velocidade de corte na vida da ferramenta 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 de desgaste de fricção. Por esta razão é usado em aplicações envolvendo superfícies deslizantes submetidas a este tipo de desgaste, tais como camisas de cilindros e anéis de pistões em motores de combustão interna e em guias de máquinas de usinagem. O fofo cinzento possui excelente 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 8-17 Habilidade relativa de metais ferrosos em amortecer 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 se usinar, como indicado na Figura 8-16. As matrizes mais finas perlíticas, que são mais fortes e duras, 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 como a capacidade do material de absorver energia causada por vibrações e amortecê-las. Os fofos cinzentos, especialmente aqueles que possuem grandes quantidades de veios ou flocos de grafita, rapidamente absorvem vibrações, como mostrado na Figura 8-17. Esta característica dos fofos cinzentos algumas vezes a sua grande vantagem para algumas aplicações. Blocos de cilindros, 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 uma matriz 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 no ferro fundido cinzento. Usualmente a microestrutura, tal como fundida, do ferro fundido nodular é constituída de grafite nodular circundada por ferrita livre (estrutura “bull’s-eye” ou olho 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 relação ao ferro fundido cinzento são seu baixo ponto de fusão, boa fluidez e fundibilidade, excelente usinabilidade 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 crescimento fenomenal em sua utilização desde sua descoberta em 19481. A Figura 8-19 mostra como sua

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

produção aumentou imensamente com o passar dos anos. Em comparação com o ferro fundido 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 são designadas por sua resistência à tensão. Diferentes classes podem ser produzidas com a mudança 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 ferro fundido com as mais altas resistências são necessários tratamentos térmicos. Geralmente não há diferença na composição química das classes básicas. Algumas vezes, entretanto, pequenas modificações na composição química e mudanças na fundição são necessárias para se produzir à microestrutura desejada.

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

FIGURA 8-19 Produção 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 % de silício. 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, ocorrerá a 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 ausência destas 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 de nódulos, 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 interface metal - 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. A nucleação de grafitas esferoidais provavelmente ocorre da mesma maneira que a nucleação das “flocos” de grafita do ferro fundido cinzento, exceto pelo fato de que os produtos da nodulação podem agir como núcleos. Estes produtos que servem de núcleos podem ser o sulfeto de magnésio ou o silicato de magnésio, identificados como 3MgO ⋅ 2SiO2 ⋅ 2H2O. A ação 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 fundidos cinzentos. Evidências experimentais indicam que as grafitas esféricas crescem diretamente do ferro 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 da casca. Como o carbono precisa difundir através da casca, o crescimento dos esferóides ocorre mais 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 uma temperatura mais baixa em ferros fundidos dúcteis que em ferro fundido cinzentos.

O número de grafitas esféricas é determinado nos primeiros estágios do processo de solidificação. 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 campo eutetóide. Como no ferro fundido cinzento, a taxa de resfriamento através da faixa eutetóide determina a estrutura da matriz. A microestrutura de “olho de touro” mostrado na Figura 8-18 é típica da estrutura ferrítica- perlítica encontrado em ferros fundidos dúcteis antes de sofrer tratamento térmico.

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

Tipo TS-YS-%

elongamento

LR, psi LE, psi Elongamento típico, %

Dureza, Bhn Tratamento térmico

Microestrutura Típica

Aplicações típicas

60-40-8 60.000 40.000 18 137 – 170 Recozido Totalmente ferrítico

Fundidos sob pressão tal como válvula ou corpos de bombas

65-45-12 65.000 45.000 12 149 – 229 --- Ferrítico Fundidos sujeitos a choques e carregamentos em fadiga

80-55-06 80.000 55.000 6 179 – 255 --- Ferrítico e perlítico

Engrenagens 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

máquinas 120-90-02 120.000 90.000 2 250 – 350* Temperado e

revenido Martensita revenida

Pinos, engrenagens, cilindros

FIGURA 8-20 Relação 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 fundidos nodulares CARBONO E SILÍCIO: O conteúdo de carbono dos ferros fundidos cinzentos varia de 3,0 a 4,0 %, sendo os valores entre 3,6 e 3,9 % os mais comuns. O maior conteúdo de carbono dos ferros fundidos dúcteis em relação ao ferro fundido cinzento é necessário para a obtenção de maiores densidades de nódulos de grafita. No caso do carbono equivalente (CE) tornar-se muito elevado (ex. acima de 4,6), pode ocorrer flotação do carbono, como indicado na Figura 8-21. 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 silício implica no acrescido do numero de nódulos. Baixo conteúdo de silício aumenta a tendência ao coquilhamento 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 ferro fundido nodulares.

FIGURA 8-21 Zona 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 de magnésio 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 elemento afeta a ductilidade e as propriedades de impacto. Um máximo de 0,1 é especificado, porém usualmente 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 grafitização em “flocos”. Outros elementos promotores da formação de perlita e/ou cementita como arsênio, boro, cromo, estanho e vanádio, devem ser minimizados. Ligas de ferro fundido nodular 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 é resultado da variação da estrutura da matriz de totalmente ferrítica, para ferrita e perlita, para martensita, ou ainda para martensita revenida. Apesar das condições de processamento poderem ser ajustadas para produzir alguns tipos de ferro fundido nodular sem necessidade de tratamento térmico, é comum a prática de tratamentos térmicos para a maioria dos ferros fundidos dúcteis para obter as propriedades desejadas. 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 estes ferros 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 então resfriado 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 consiste de nódulos de grafita em uma matriz de ferrita (Figura 8-22c). A Figura 8-22d mostra a grafita secundária 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, em torno dos nódulos de grafita primária. (3:1 brometo de metil acetato líquido; X 475.) (b) Ferro fundido dúctil ferrítico da classe 60-40-18. Ferro fundido dúctil perlítico como fabricado e recozido 6 h a 788ºC e resfriado ao forno. 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 ao forno. Nódulos de grafita e matriz ferrítica. (nital 2% região clara do ataque; X 140.) (d) Ferro fundido dúctil da classe 60-45-12 com o mesmo tratamento de c, no qual a perlita se decompôs em carbonetos livres na matriz original, produzindo grafita secundária em torno dos nódulos de grafita primaria em toda matriz ferrítica. (nital 2%; 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 usualmente realizada através do aquecimento a 900 ºC por 1h seguido por resfriamento ao ar. Após a normalização, o ferro fundido pode ser submetido a um revenimento de 1h a 566 ºC. A Figura 8-22e mostra uma microestrutura típica de ferro fundido dúctil normalizado e revenido para um ferro fundido da classe 80-55-06. TÊMPERA E REVENIDO: Ferro fundido nodular pode ser resfriado rapidamente em banho de óleo para produzir uma estrutura martensítica temperada com elevada resistência. Algumas vezes os tratamentos de austêmpera e martêmpera são utilizados. Propriedades de Engenharia

Em geral, os ferros fundidos dúcteis combinam as vantagens do processamento dos ferros fundidos cinzentos com as vantagens de engenharia dos aços. Nenhum outro material ferroso alcança a versatilidade do ferro fundido dúctil. Este material possui boa fluidez e fundibilidade, excelente usinabilidade além de boa resistência ao desgaste. Ainda, os ferros fundidos nodulares possuem uma série de propriedades semelhantes a alguns aços, como resistência, tenacidade, ductilidade, trabalhabilidade a quente capacidade de endurecimento.

Propriedades Mecânicas A 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 a resistência 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 deste ferro fundido quando comparado ao efeito dos veios de grafita em ferro fundido cinzento. Resistência ao Desgaste A grafita esferoidal no ferro fundido dúctil pode reter óleos e, portanto, prevenir “galling” (escoriação) e “seizing” (trinca) das peças quando utilizadas em movimento relativo. A resistência ao desgaste do ferro fundido nodular é equivalente à do ferro fundido cinzento. TABELA 8-4 Propriedades mecânicas dos ferros fundidos dúcteis Classe 65-45-12 80-55-06 100-70-03 120-90-02 Dureza, Bhn 167 192 235 331 Tração:

Máxima resistência 103 psi 67,3 81,1 118,6 141,3 Tensão 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 1,5 Módulo de elasticidade 104 psi 24,4 24,5 23,5 23,8 Coeficiente de Poisson 0,29 0,31 0,28 0,28 Compressão:

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 23,8 Coeficiente de Poisson 0,31 0,31 0,27 0,27 Torção:

Tensão de cisalhamento 103 psi 68,9 73,1 87,3 126,9 Tensão 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 8-23 Propriedades 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 8-24 Efeito da microestrutura da matriz e velocidade de corte na vida da ferramenta na usinagem de ferro fundido dúctil. [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron Founders’ Society,

Inc., Cleveland, 1971, p. 518.] Usinabilidade Ferros 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 Maleáveis Ferro fundido maleável é um importante material de engenharia, já que possui as propriedades desejadas para fundir, usinar, além de possuir boa tenacidade e ductilidade bem como 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 fundidos que tem a estrutura de ferro fundido branco. Ou seja, o carboneto de ferro da estrutura do ferro 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 ferros fundidos brancos que são posteriormente tratados termicamente para produzir ferro fundido maleáveis 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 de tração e aplicações dos ferros fundidos maleáveis ferríticos e perlíticos não ligados são listadas na Tabela 8-6. As mais baixas propriedades de tração dos ferros fundidos maleáveis ferríticos são devidas a mais fraca matriz ferrítica quando comparada a perlítica. O ferro fundido maleável de alta resistência tem uma matriz de martensita temperada e não uma matriz perlítica.

TABELA 8-5 Composição 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 8-6 Propriedades mecânicas e aplicações de ferros fundidos maleáveis* Propriedades mecânicas

Designação Resistência máxima, ** psi

Tensão de escoamento,

** psi

Elongamento típico,** %

Dureza, Brinell ***

Aplicações típicas

Ferrítico

35018 53.000 35.000 18 110 – 156

Estrutura de máquinas locomotivas, grades de ferro, ferramentas manuais,

equipamentos para alta pressão, ferragem para industria petrolífera.

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

correntes, dobradiças, sistemas de freio, cubos de rodas

Perlítico 40010 45008 45006 50005

60.000 65.000 65.000 70.000

40.000 45.000 45.000 50.000

10 8 6 5

149 – 197 156 – 197 156 – 207 179 – 229

Braçadeira em C, suporte para motores a diesel, alavancas caixas de transmissão,

cápsulas de artilharia, engrenagens, implementos agrícolas

60004 70003 80002

80.000 85.000 95.000

60.000 70.000 80.000

4 3 2

197 – 241 217 – 269 241 – 285

Pistões para motores a diesel, caixas para eixos 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 da especificação ASTM.

Tratamento Térmico e Microestruturas FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS FERRÍTICOS. Aplicando um tratamento térmico de recozimento, a estrutura frágil de fusão do ferro fundido branco é convertida em uma estrutura mais maleável e tenaz consistindo de nódulos de grafita em uma matriz ferrítica. Este tratamento térmico é chamado de maleabilização. A estrutura inicial dos ferros fundidos brancos é composta de grandes carbonetos de ferro, perlita e algumas áreas eutéticas (Figura 8-26a). O tratamento térmico de maleabilização converte a estrutura anterior em uma nova estrutura com matriz ferrítica e nódulos de grafita revenidos (Figura 8-4). O ciclo de tempo e temperatura de um tratamento típico de maleabilização é mostrado na Figura 8-25. O tratamento térmico de recozimento para ferro fundido maleável ferrítico consiste nos três seguintes passos:

1. Primeiramente a grafita é nucleada. Isto ocorre principalmente no estágio de aquecimento 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 eliminação de carbonetos e a conversão deste carbono em grafita. Este é o estágio inicial da grafitização.

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 livre de 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 o

numero 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 8-25 Ciclo 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 8-26 Microestrutura 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 dois estágios, 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 971ºC e resfriado lentamente ao ar. O ferro fundido foi temperado por 2 h a 677ºC. Nódulos de grafita de carbono revenido 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 e temperado 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 de martensita 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 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 o

numero 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.

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 a cementita desaparece. O tempo necessário para completar o processo é dependente do número de 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 no correto equilíbrio com o enxofre para evitar o excesso destes elementos e a estabilização da cementita. Segundo estágio da grafitização: Neste estágio que envolve resfriamento lento através da faixa 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 de resfriamento for muito rápida haverá formação de perlita. Deve ser mantida uma taxa de resfriamento lenta até ao menos 650 ºC para impedir a formação de perlita. FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS PERLÍTICOS. Aumento de resistência mecânica e da resistência ao desgaste com redução da ductilidade é obtido produzindo uma estrutura com matriz 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. Resfriamento lento 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 na Figura 8-26d. Uma matriz martensítica pode ser obtida por recozimento a 943 ºC por 13h seguido de têmpera 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 ferro fundido 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 a 100 ksi podem ser obtidas com elongações que variam de 8 a 1 %. Devido a este fato, a vantagem dos ferros fundidos maleáveis como dos ferros fundidos dúcteis, é a de que podem ser produzidos em uma grande faixa de resistências, se os tratamentos térmicos forem cuidadosamente controlados. Ferro fundido maleável é um dos materiais com melhor usinabilidade dentre as ligas de ferro. Já que todos os fundidos são tratados termicamente, um alto grau de uniformidade e conseqüentemente de usinabilidade é obtido. Ferro fundido maleável perlítico pode ser usinado com excelente acabamento final, possui boa resistência ao desgaste e excelente capacidade de endurecimento superficial por aquecimento induzido ou chama. Ferros fundidos 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 rápido tende a produzir uma estrutura de ferro fundido branco (carboneto de ferro), enquanto um resfriamento mais lento favorece a ocorrência da grafitização e, portanto, a formação de uma estrutura de ferro fundido cinzento. Visto que esta estrutura duplex é produzida em ferros fundidos usando coquilhas, estes são chamados de ferros fundidos coquilhados. A espessura da camada coquilhada pode ser controlada até certo grau variando a composição química do ferro fundido. A Figura 8-27 apresenta microestrutura de um ferro fundido níquel – cromo resistente à 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 perlita e carboneto de ferro interdendrítico (Figura 8-27b). A 4 in da coquilha o ferro fundido apresenta a estrutura cinzenta, com flocos (“flakes”) de grafita do tipo B em uma matriz de perlita fina (Figura 8-27c).

FIGURA 8-27 Microestruturas 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 carbonetos interdendríticos (branco). (b) Ferro fundido branco a 2 in da coquilha, apresentando uma configuração dendrítica grosseira de perlita (cinza) e carbonetos interdendríticos (branco). (c) Ferro fundido cinzento a 4 in da coquilha, 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 branco Os 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 de grafita. 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 e durezas Brinell mínimas de alguns ferros fundidos brancos ligados e não ligados. TABELA 8-7 Composição 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 fundido martensítico níquel-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 martensítico níquel-cromo de alta 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 alto cromo

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 de ferros fundidos em quantidades entre 1 e 4% para aumentar a dureza e melhorar a resistência à 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 àquela resultante do resfriamento lento de grandes seções. O cromo é utilizado em quantidades entre 12 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 fabricado é apresentado na Figura 8-28.

FIGURA 8-28 ASTM 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 cromo melhoram a resistência à tração, oxidação e corrosão de ferros fundidos, porém apresentam tendências opostas em relação a grafitização. O níquel estabiliza a grafita, enquanto o cromo estabiliza o carboneto de ferro. Estes dois elementos são adicionados juntos em ferros fundidos 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 a matriz 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 com 4,2% Ni e 2,0% Cr, o qual apresentam uma matriz austenítica. Quando este ferro fundido é utilizado em trabalhos de alta abrasividade a austenita se transforma em martensita.

FIGURA 8-29 ASTM 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 uma configuração dendrítica de austenita (preto) e um eutético interdendrítico de austenita (pontos pretos) e carbonetos (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 sua composição química e microestrutura. Os fatores dominantes são a composição química e microestrutura da matriz. Existem três grupos distintos de ferros fundidos altamente ligados os quais têm sua resistência à corrosão melhorada pa condições ambientais específicas. Estes grupos são (1) ferros fundidos alto silício, (2) ferros fundidos alto cromo, e (3) ferros fundidos alto níquel. As composições químicas e propriedades mecânicas de algumas ligas importantes de ligas de ferros fundidos são listadas na Tabela 8-8. TABELA 8-8 Composição química e propriedades mecânicas de diversas ligas de ferro fundido resistentes à corrosão Tipos de ferros fundidos

Análise Alto silício (Duriron)

(Durichlor) Alto Cromo

Alto 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 – 1 Dureza Brinell 450 – 500 290 – 400 100 – 230 Resistência máxima à tração, 1000 psi

13 – 18 30 – 90 25 – 45

Resistência máxima à compressão, 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 Silício

Com 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, estes ferros 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 e nítrico 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 de grafita na microestrutura de dois ferros fundidos com alto teor de silício são apresentadas na Figura 8-32a e b. Ferros Fundidos Alto Cromo

Ferros 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 são resistentes a ácidos oxidantes, particularmente ácido nítrico (Figura 8-30b), e são bastante utilizados para trabalhos com ácidos fracos sob condições oxidantes, com muitas soluções ácidas orgânicas e com soluções salinas. As propriedades mecânicas dos ferros fundidos ao cromo são melhores que aquelas dos ferros fundidos de alto silício (Tabela 8-8). Os ferros fundidos de alto cromo respondem a tratamentos térmicos em que os conteúdos de carbono e cromo são ajustados adequadamente. Entretanto, a usinagem destas ligas é muito difícil. A Figura 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 como fabricado e tratado termicamente.

FIGURA 8-30 Vida 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 8-31 Vida útil de ferros fundidos alta liga em ácido hidroclorídrico e ferros fundidos comum e austenítico em hidróxido de sódio. [C. F. Walton (ed.), Gray and Ductile Iron Castings Handbook, Gray and Ductile Iron

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

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

Ferros 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 são resistentes a ácidos oxidantes, particularmente ácido nítrico (Figura 8-30b), e são bastante utilizados para trabalhos com ácidos fracos sob condições oxidantes, com muitas soluções ácidas orgânicas e com soluções salinas. As propriedades mecânicas dos ferros fundidos ao cromo são melhores que aquelas dos ferros fundidos de alto silício (Tabela 8-8). Os ferros fundidos de alto cromo respondem a tratamentos térmicos em que os conteúdos de carbono e cromo são ajustados adequadamente. Entretanto, a usinagem destas ligas é muito difícil. A Figura 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 como fabricado e tratado termicamente.

FIGURA 8-33 Microestruturas de ferros fundidos alto cromo resistentes à corrosão. (a) Ferro fundido alto cromo resistente à corrosão (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 alto cromo resistente à corrosão assim como em a, porém, normalizado a 1010 ºC, resfriado ao ar e temperado a 260 ºC. Ferro fundido branco apresentando eutético (Cr, Fe)7C3 (região clara contornada), interdendrítico e em forma de incrustações radiais, em uma matriz de martensita revenida. (reagente Vilella; X 250.) (Metal Handbook, 8

ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1972, p.100) Ferros Fundidos Alto Níquel Ferros fundidos alto níquel austeníticos são amplamente utilizados e são geralmente conhecidos como ferros fundidos Ni-Resist. Ferros fundidos cinzentos austeníticos contendo de 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 níquel são mais resistentes a alcalinos que ferros fundidos não ligados. Ni-Resist é particularmente útil para alcalinos a altas temperaturas (Figura 8-31b). Ferros fundidos alto níquel, devido à sua matriz austenítica, são os mais tenazes de todos 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 a 45 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 dois ferros fundidos alto níquel (grafita tipo flocos) resistentes à corrosão são mostradas na Figura 8-34.

FIGURA 8-34 Microestruturas 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 cinzento apresentando 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 à corrosão (2,7% C, 2,8% Si, 1,4% Mn, 20,0% Ni, 2,4% Cr) como fabricado. Estrutura: ferro fundido cinzento apresentando grafita interdendrítica (região escura) dos tipos D e E, e carbonetos interdendríticos (região clara contornada) 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 com adições de silício (acima de 3%), cromo, níquel, molibdênio ou alumínio para melhoras as propriedades a altas temperaturas. As composições químicas e propriedades mecânicas de algumas ligas de ferro fundido resistentes ao calor industrialmente importantes são listadas na Tabela 8-9. TABELA 8-9 Composições químicas e propriedades mecânicas de ligas de ferro fundido resistentes ao calor Tipos de ferro fundido

Análise Alto 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 – 25 Dureza Brinell 170 – 250 250 – 500 130 – 250 110 – 210 180 – 350 Resistência máxima à tração, 1000 psi

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

Resistência máxima à 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 fundidos

decrescem gradualmente com o aumento da temperatura e o ferro sofre mudanças químicas de crescimento e oxidação.

Crescimento é um aumento permanente no volume que ocorre a elevadas temperaturas em alguns ferros fundidos, particularmente no ferro fundido cinzento. Este fenômeno é causado principalmente (1) pela expansão que acompanha a reação de mudança de Fe3C para grafita e ferro e (2) pela oxidação do ferro após a oxidação da grafita que forma monóxido de carbono.

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 altas temperaturas uma oxidação continuada do metal irá ocorrer. Eventualmente, a resistência do material irá diminuir devido à perda de material. Ferros Fundidos ao Cromo

Cromo é adicionado para melhorar a resistência ao calor de ferros fundidos porque colabora com a estabilização dos carbonetos e forma um óxido protetor na superfície do metal. Mesmo pequenas adições de cromo (0,5 a 2,0%) reduzem o crescimento em ferros fundidos 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 cinzento resistente ao calor 0,8% Cr como fabricado é transformada para ferrita e cementita esferoidizada, 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 de aproximadamente 980 ºC (Figura 8-37). Entretanto, estes ferros fundidos com alto cromo têm estrutura de ferro fundido branco. Portanto apresentam boas propriedades de resistência em contraste à usinabilidade limitada.

FIGURA 8-35 Efeito do cromo no crescimento dos ferros fundidos cinzentos quando sujeitos a aquecimentos cíclicos até 800 ºC. [C. O. Burgess e A. E. Shrubsall, Trans. AFS., 50 (1942):405.]

FIGURA 8-36 Microestruturas 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 altas temperaturas. Aproximadamente toda cementita na matriz original de perlita foi esferoidizada, portanto, a matriz agora é ferrítica. (nital 2%; X 500). (Metal Handbook, 8 ed., vol. 7, American Society for Metals, Metals Park,

Ohio, 1972, p.100)

FIGURA 8-37 Efeito do cromo na perda de massa por oxidação por escamação de ligas de ferro fundido em diversas temperaturas 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 Silício

Conteúdos de silício abaixo de 3,5% aumentam a taxa de crescimento de ferros fundidos 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 à escamação de ferros fundidos pela formação de uma superfície oxida clara que é insensível a atmosferas oxidantes. O silício também aumenta a temperatura de transformação de ferrita para austenita para aproximadamente 900 ºC, portanto, a expansão e contração devidas à transformação podem ser evitadas acima de 900 ºC. A resistência à oxidação a altas temperaturas dos ferros fundidos alto silício Cel é comparada a outras ligas de ferro fundido na Figura 8-38. A Figura 8-39 mostra a microestrutura de um ferro fundido alto silício resistente ao calor na condição como fabricado.

FIGURA 8-38 Oxidação 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 8-39 Ferro fundido alto silício resistente ao calor (3,5% C, 3,5%Si, 0,7% Mn) como fabricado. Estrutura mostrando nódulos 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 Níquel

Ferros 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 e ao crescimento acima de aproximadamente 815 ºC para a maioria das atmosferas oxidantes. Em atmosferas contendo enxofre, todavia, a quantidade de níquel destas ligas restringe seu uso a temperaturas inferiores a 500 ºC.

Os ferros fundidos austeníticos contendo níquel têm tenacidade e resistência ao choque consideravelmente maior que as outras ligas de ferro resistentes ao calor contendo silício e cromo. Os ferros fundidos alto níquel com grafita nodular são consideravelmente mais resistentes e apresentam maior ductilidade comparado às ligas ferro-níquel com grafita em flocos.

8-9 FERROS FUNDIDOS DÚCTEIS AUSTEMPERADOS

Ferros fundidos dúcteis e austemperados (ADIs) são materiais únicos que combinam a resistência 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 de muita 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 então são tratados termicamente por austêmpera (ver seção 2-8). No processo de austêmpera para ADIs, 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 tempo específico isotermicamente, normalmente na faixa de 316 a 371ºC, e depois resfriado à temperatura ambiente. A Figura 8-40 ilustra esquematicamente o ciclo de tratamento térmico do ADI.

FIGURA 8-40 Diagrama 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 de transformação 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 ductilidade atingíveis. A reação isotérmica na austêmpera de um ferro fundido dúctil é diferente daquela em um aço comum ao carbono (por exemplo um aço AISI 1080) em que a microestrutura de austenita e ferrita (ausferrita) é primeiramente produzida ao invés da bainita (ferrita e carboneto). A reação bainítica em equilíbrio em um ADI ocorre mais lentamente do que em um aço comum ao carbono. A Reação Isotérmica em Ferros Fundidos Dúcteis Austemperados

A 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 o excesso de carbono rejeitado por estas placas é difundido na austenita adjacente. Esta austenita de alto carbono é bem estável e um componente importante dos ADIs que possuem alta resistência e tenacidade. A Figura 8-41 mostra a estrutura de um ADI a 100 e 1000 X. A supressão 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 então deve ser rejeitado da austenita nas áreas onde a cementita irá crescer.

O segundo estágio da transformação isotérmica durante a austêmpera de um ferro fundido 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 da microestrutura ferrita-carboneto diminui a ductilidade e a tenacidade do ADI, desta forma a transformação isotérmica deve ser terminada em E antes do início deste estágio.

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

FIGURA 8-41 Micrografias 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.; atacado com picral 4%, (a) 100 X; (b) 1000 X (W. J. Dubensky e K. B. Rundman, AFS Trans. 93(1985):389.)

FIGURA 8-42 Comparação da resistência máxima e ductilidade de ferros fundidos dúcteis austemperados e outras classes de ferros fundidos dúcteis. [R. B. Gundlach e J. F. Janowak, First International Conference on Austempered Ductile Cast Iron, ASM (1984) p. 1.] Tabela 8-10 Norma ASTM A 897-90 e A 897M-90 propriedades mecânicas requeridas para ferros fundidos dúcteis 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 ... 75 269-321 850-550-10 850 ... 550 ... 10 100 ... 269-321 150-100-7 ... 150 ... 100 7 ... 60 302-363 1050-700-7 1050 ... 700 ... 7 80 ... 302-363 175-125-4 ... 175 ... 125 4 ... 45 341-444 1200-850-4 1200 ... 850 ... 4 60 ... 341-444 200-155-1 ... 200 ... 155 1 ... 25 388-477 1400-1100-1 1400 ... 1100 ... 1 35 ... 388-477 230-185 ... 230 ... 185 **** ... **** 444-555 1600-1300 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, 1600-1300 são principalmente usadas em engrenagens e aplicações que exigem resistência ao desgaste, as classes 200-155-1 e 1400-1100-1 possuem aplicações 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 a uma 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, o segundo estágio da reação bainítica é atrasado e a janela de austêmpera é aumentada (Figura 8-43). 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 de austêmpera é menos provável.

FIGURA 8-43 Comparação do elongamento versus tempo de austêmpera para um ferro fundido dúctil não ligados e um contendo 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 e do controle microestrutural, os ADIs fornecem um material com alta resistência mecânica, boa resistência ao desgaste e boa tenacidade para muitas aplicações de engenharia. Mais aplicações de ferros fundidos dúcteis austemperados são esperadas para o futuro, especialmente para engrenagens e maquinaria pesada.