Paul Hugon Historia Das Doutrinas Economic As Ocr-nao Revisado
07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)
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Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecânica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
TM343 Materiais de Engenharia
Ferros fundidos
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Onde estamos?
• Introdução • Revisão dos conceitos de mecanismos de endurecimento e
diagramas de fase • Alumínio e suas ligas
– Classificação das ligas de Al – Tratamentos térmicos das ligas de Alumínio – Metalurgia das ligas de Alumínio
• Ligas ferrosas – Aços e ferros fundidos – Diagramas TTT e TRC – Tratamentos térmicos dos metais ferrosos – Metalurgia dos metais ferrosos – Tratamentos termoquímicos
• Noções de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Roteiro da aula
• Introdução
• Classificação
• Sistema Fe-C-Si
• Ferro fundido cinzento
• Ferro fundido Dúctil (modular)
• Ferro Fundido Maleável
• Ferros Fundidos resistentes à abrasão
• Ferros fundidos resistentes à corrosão e ao calor
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Introdução
• Menor temperaturas de fusão (1130ºC vs 1500ºC do aço)
• Boa fluidez -> Geometrias complexas
• Em geral alta usinabilidade
• Menor custo de produção
• Resistência ao desgaste
• Isolamento de vibrações
• Componentes de dimensões variadas
• Versatilidade de propriedades • Apesar da grande quantidade de materiais disponíveis, em muitas
aplicações os ferros fundidos continuam sendo mais econômicos
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Introdução • Peças de geometria complexa.
• Normalmente a forma principal da pesa não é atingida por usinagem -> usinagem em pontos específicos
• Peças onde a deformação plástica é inadmissível
FERROS FUNDIDOS
•Baixo ponto de fusão (relat. aos aços)
•Elevada dureza e resist. ao desgaste
•Razoável resistência à corrosão
•Versatilidade de propriedades e aplicações
POSITIVAS NEGATIVAS
•Grande fragilidade, logo, baixa
ductilidade
•Deformação plástica impossível
à temperatura ambiente
•Soldagem muito limitada
•Regime elástico não-linear
Ligas ternárias de Ferro, Carbono (2 a 4%) e Silício (1 a 3%)
FERROS FUNDIDOS - Classificação
FF CINZENTO (Gray iron)
FF DÚCTIL ou Nodular (Spheroidal iron)
FF BRANCO (White iron)
FF MALEÁVEL (Malleable iron)
FF VERMICULAR (intermediário entre Cinzento e Nodular)
(Vermicular iron) FF alta Liga
Existe sobreposição de composição
química, pelo que só se distinguem
através do processamento!
Classificação baseada na distribuição
do carbono na estrutura
Bá
sic
os
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Tipos de ferros fundidos
Cinzento
Nodular (dúctil)
Branco Vermicular
maleável
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Branco • Obtidos com menos de 1%p de Si
com elevadas taxas de resfriamento
Maioria do carbono forma cementita
• Superfície de uma fratura tem apa-
rência esbranquiçada -> nome
• Extremamente duro e frágil -> aplicado quando a resistência ao desgaste é importante (cilindro de laminação)
• Elevada resistência à compressão
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Cinzento
• Teor de carbono entre 2,5 e 4,0%p
• Teor de silício entre 1 e 3%p
• Grafita em forma de flocos em uma matriz ferrítica ou perlítica -> boa usinabilidade
• Se fraturada a superfície tem aparência acinzentada -> daí o nome
• Pouco resistente e frágil sob tração (microestrutura com pontas de flocos pontiagudas -> concentrador de tensão)
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Cinzento
• Muito mais resistente e dúctil sob
compressão
• Muito eficientes no amortecimento de energia vibracional (aplicação em bases de máquinas e blocos de motores)
• Elevada resistência
ao desgaste
Aço
Ferro fundido cinzento
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Cinzento
• Apresentam alta fluidez na temperatura
de fundição -> permite fundição de formas
complexas e delgadas
• É um dos materiais mais baratos que existe
• Outras microestruturas podem ser obtidas por ajuste de composição e tratamento adequado
• Ex: ↓Si ↑taxa de resfriamento previne a dissociação completa da cementita -> microestrutura com flocos de grafita em uma matriz perlítica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Maleável
• O ferro fundido branco é produto
intermediário para produção do
ferro fundido maleável
• Obtido do ferro fundido branco
mantido muitas horas aquecimento entre
800 e 900 °C (atmosfera controlada) -> taxa de resfriamento para obtenção do ferro fundido branco limita a seção da peça
• Cementita em forma de rosetas em matriz ferrítica ou perlítica (taxa de resfriamento)
• Semelhante ao nodular (resistente, dúctil) -> engrenagens, barras de ligação, conexões, etc.
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Nodular (ou Dúctil)
• Composição próxima ao cinzento
Obtido pela adição de Mg ou Ce
• Grafita se forma em forma de
Nódulos esféricos e não flocos
• Matriz ferrítica ou perlítica, depen-
dendo do tratamento térmico, envolvendo os nódulos de grafita
•Matriz ferrítica obtida por tratamento a 700°C por várias horas
•Mais resistentes e mais dúcteis que os cinzentos - > características próxima aos aços (válvulas, virabrequins, corpos de bombas, engrenagens, etc)
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Vermicular
• O mais recente deles
• Si entre 1,7 e 3%p
• C entre 3,1 e 4%p
• Grafita em forma de vermes
(intermediária entre cinzento e nodular)
• Até 20% da grafita pode estar em nódulos (evitar aresta vivas)
• Adição de Mg e/ou Ce em menor quantidade
• Matriz pode ser ferrítica ou perlítica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro Fundido Vermicular
• Aumento na nodularidade das
partículas leva a maior resistência e
ductilidade
• Propriedades compatíveis com os
Ferros fundidos nodulares e maleáveis
• Em comparação co outros ferros fundidos:
– Maior condutividade térmica
– Maior resistência ao choque térmico
– Menor oxidação em temperaturas elevadas
• Blocos de motores, carcaças de caixa de engrenagem, discos de freio, polias, etc
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Variação de composição e tratamento na microestrutura dos Ferros Fundidos
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Efeito da velocidade de resfriamento
Espessura da peça
http://www.fonderiaboxer.it/prodotti_uk.html
4300 kg de Fofo Cinzento!
32 g de Fofo Cinzento!
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
O sistema Fe-C-Si • Si é grafitizante -> ferro fundido pode solidificar no sistema
Fe-Fe3C (resfriamento rápido) ou Fe-Grafita (resfriamento lento)
Si reduz a composição
do eutético e a
solubilidade máxima do
carbono na austenita
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos cinzentos
• É o mais usado (custo, possibilidade de grande variedade de formas) -> representa aproximadamente 75% da produção de FF
• Flocos de grafita conferem:
– Excelente usibinabilidade
– Boa resistência ao desgaste
– Pode operar sob baixa lubrificação (lubrificante sólido)
– Excelente amortecimento de vibrações
– Propriedades comparáveis aos aços de alta resistência se empregados sob compressão (resistência mecânica, estabilidade dimensional e exigência de alinhamento)
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos cinzentos
• Casses de ferros fundidos cinzentos:
– Classificados pela tensão limite de resistência (depende principalmente da micro estrutura)
– Norma ASTM
– Pode ser hipoeutético e hipereutético (%C e %Si)
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos cinzentos
• Solidificação lenta de um ferro fundido hipoeutético
• Em resfriamento lento
• 1- 1250°C início da solidificação de dendritas de austenita
• 2 e 3 precipitação de grafita
• 3-4 rejeição de carbono da austenita que se precipita na grafita existente
• 4 e 5 austenita se transforma em ferrita e o restante do carbono se precipita na grafita já existente
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos
• Elementos de maior importância são C e Si
• Elementos grafitizantes (ex:Si) promovem
Fe3C -> 3Fe + C (grafite)
• Elementos estabilizadores de carbonetos impedem a decomposição (ex: Cr, Mn e S)
• Maior teor de Si e C favorece a formação do ferro fundido cinzentos, baixos teores destes elementos favorecem a formação do ferro fundido branco.
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Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos
• S e Mn
– Relação entre %Mn e %S deve ser respeitada para evitar a formação de FeS
– Se não ligados formando MnS, promovem a formação de perlita (estabilizadores de carbonetos)
• P
– Pode formar eutético de baixo ponto de fusão (~950°C) -> “steadita”
– Se presente em grande quantidade aumenta a dureza a fragilidade e reduz a usinabilidade. Também aumenta a resistência ao desgaste, assim pode ser interessante am algumas aplicações
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Grafitização na solidificação
• Flocos de diversas formas e tamanhos se formam
– Flocos grandes e aleatoriamente orientados são formados sob baixa taxa de nucleação e solidificação
– Flocos pequenos são formados sob elevada taxa de nucleação (super-resfriamento intermediário) e quando há tempo para a grafitização
– Elevado super-resfriamento impede a grafitização
• Inoculação
– Influencia fortemente a microestrutura
– Inoculação reduz o super-resfriamento
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Microestrutura • Propriedades definidas pela matriz (pouca influencia dos
flocos de grafita) -> fortemente influenciada pela taxa de solidificação
Classe 20
Matriz essencialmente ferrítica
Pouca perlita
Resfriamento lento
Classe 30
Mistura de ferríta e perlita
Resfriamento moderado
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Propriedades
• Propriedades mecânicas
– Depende diretamente da microestrutura e logo da taxa de solidificação
– Quanto mais C e Si menor a resistência
– Propriedades superiores obtidas com adição de Cr, Ni e Mo
– A rede de flocos de grafite é comunicante o que gera os baixos valores de resistência
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Propriedades
• Resistência ao desgaste
– Resistentes ao desgaste por deslizamento -> efeito lubrificante da grafita + retenção de óleo no local dos flocos
• Usinabilidade
– Apresenta a melhor usinabilidade entre os ferros fundidos
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Propriedades
• Amortecimento de vibrações
– Absorção de energia devido à microestrutura
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Ferros fundidos Nodulares
• Grafita dispersa em nódulos esféricos -> como fundido apresenta a estrutura da olho de boi
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Ferros fundidos Nodulares
• Apresente baixo ponto de fusão, boa fludez e fundibilidade, excelente usinabilidade e resistência ao desgaste
• Isso aliado a elevada resistência mecânica tenacidade, ductilidade e trabalhabilidade a quente
Classes segunda as
propriedades
mecânicas
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos Nodulares
• Solidificação de ferros fundidos nodulares
– Adição de Mg (~0,1%) -> desoxida e desulfuriza o metal líquido
– O e S são responsáveis pela formação de flocos
– Estrutura da matriz depende da taxa de resfriamento e do tratamento térmico
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos Nodulares
• Efeito da composição na estrutura e propriedades
– C e Si controlam a densidade de nódulos
– S deve ser mantido abaixo de 0,03%, se essa concentração for superior deve-se adicionar mais Mg
– P manter inferior a 0,1% para evitar a steadita
– Impurezas de Pb, Ti, Al, Sb, Zr podem promover a formação de flocos
– Cr, B, Sn, V estabilizam perlita e carbonetos
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos Nodulares
• Tratamento térmico e microestrutura
– Propriedades podem ser variadas entre 420 e 840MPa por tratamento térmico -> variação da microestrutura
– Alivio de tenções
• De tensões residuais da fundição
• Entre 530 e 675°C por 1h + 1h por plogada de seção
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Ferros fundidos Nodulares
• Tratamento térmico e microestrutura
– Recozimento pleno
• Para obter a melhor usinabilidade
• 780°C 6h resfriado ao forno -> decompõe a maioria da perlita
– Normalização e revenimento
• Usado para obter elevada resistência
• 1h a 900°C e resfriado ao ar -> seguido de revenimento 1h a 560°C
– Têmpera e revenimento
• Têmpera em óleo,martempera ou austempera
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Ferros fundidos Nodulares
• Propriedades
– Vantagens de processamento dos ferros fundidos
– Propriedades similares aos aços
– Resistência ao desgaste
• Nódulos ajudam a retenção de óleo
• Equivalente ao ferro fundido cinzento
– Usinabilidade
• Próximo ao ferro fundido cinzento
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Ferros fundidos Nodulares
• Propriedades mecânicas
Grafita não forma uma rede -> nódulos isolados
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Ferro fundido maleável
• Estrutura obtida por tratamento térmico do ferro fundido branco (recozimento)
• Normalmente com matriz ferrítica (pode ser perlítica e martensítica)
• Especificados pela mínima tensão limite de resistência
• Inserir tabela 8.6
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro fundido maleável
• Tratamento térmico e microestrutura
– Ferro fundido maleável ferrítico
• Recozimento-> transforma FF branco em maleável
• Tratamento chamando maleabilização, etapas: – Nucleação da graftita-> ocorre no aquecimento
– Patamar entre 870 e 950°C -> eliminação de carbonetos massivos -> transformação em grafita
– Resfriamento lento para evitar a formação de perlita
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Ferro fundido maleável
• Tratamento térmico e microestrutura
– Ferro fundido maleável perlítico (maior resistência e menor ductilidade)
• Tratamento chamando maleabilização-> 13h a 970°C e resfriamento ao ar
• Estrutura martensítica pode ser obtida sob resfriamento em óleo -> revenido entre 260 e 730°C
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferro fundido maleável
• Propriedades
– Resistência e ductilidade podem ser variadas variando a estrutura da matriz
– Larga faixa de propriedades possíveis como os nodulares
– Elevado grau de homogeneidade já que todo FF maleável é tratado termicamente
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Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão
• Ferro fundido coquilhado
– Produz uma superfície de ferro fundido branco, resistente à corrosão e um núcleo tenaz (FF cinzento)
– Obtido usando moldes metálicos ou de grafite
• Ferro fundido branco
– Se não ligados apresentem matriz de perlita fina
– Adicionando elementos de liga pode ter matriz martensítica ou bainítica
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Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão
• Ferro fundido branco ao cromo
– Adicionando entre 1 e 4% para aumentar a resistência à abrasão
– Forte formador de carbonetoes e tende a suprimir a grafitização
– Se adicionado entre 12 e 35% melhora resistência à oxidação e à abrasão
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão
• Ferro fundido branco níquel-cromo
– Ni e Cr aumentam a resistência mecânica, à oxidação e a corrosão
– Níquel -> grafitizante
– Cr -> formador de carbonetos
– Dosados para contrabalançar os efeitos
– 2%Ni + 1%Cr refina a perlita
– 3,25%Ni + 1,25%Cr produz matriz martensítica
– 4,2%Ni + 2%Cr produz matriz austenítica -> se transforma em martensita em operação
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos ligados resistentes à corrosão
• Ferro fundido alto silício (14-17%)
– Extremamente resistente a ataque ácido
– Resistente a ácido sulfúrico em ebulição
– Pobre propriedades mecânicas
• Ferro fundido alto cromo (20-35%)
– Resistente a ácido nítrico e soluções salinas, oxidação e abrasão
– Melhores propriedades mecânicas que os alto Si
• Ferro fundido alto níquel (14-30%)
– Matriz austenítica -> resistentes a meios pouco ácidos e a meios básicos
– Elevada tenacidade (CFC)
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos ligados resistentes ao calor
Adição de Cr, Ni, Mo, Al
Acima de 425°C perde resistência mecânica e sofre crescimento (expansão pela formação adicional de grafita e oxidação após transformação da grafita em CO)
• Ferro fundido ao cromo (resiste até 980°C)
• Ferro fundido alto silício (eleva a transformação de ferrita em austenita a 900°C evita expansão devido à transformação de fase)
• Ferro fundido alto níquel (resiste até 815°C em atmosferas oxidantes, em resença de enxofre resiste até 500°C) -> maior tenacidade que os outros
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
Ferros fundidos nodular austemperado
• Combina resistência mecânica e ao desgaste de aços e com baixo custo e flexibilidade de projeto
• Tratamento térmico
– Austenitizado entre 870 e 930°C
– Resfriado em banho de sal entre 320 e 370°C
– Após o tempo de tratamento ‘é resfriado a Tamb
– Obtêm então estrutura bainitica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
É importante lembrar
• Diferença entre os diferentes tipos de ferros fundidos (Microestrutura - propriedade)
– Cinzento
– Branco
– Nodular
– Maleável
• Influencia do resfriamento e do tratamento térmico