Classificação dos ferros fundidos
Introdução
Já referimos
a existência de dois tipos de ferros fundidos: um que se formava a grafite e que correspondia a solidificação
segundo o diagrama estável; outro, onde o carbono se combinava com ferro
formando cementite e que correspondia
a solidificação segundo o diagrama metaestável.
Estes
dois tipos de ferros fundidos designam-se, respectivamente, por ferros fundidos cinzentos e ferros fundidos
brancos.
A
velocidade de arrefecimento das ligas será o elemento determinante na formação
dum ou doutro dos constituintes, desde que a liga seja binaria pura.
Na prática
isso nunca acontece e verifica-se que as estruturas finais dependem
simultaneamente da velocidade de
arrefecimento e da composição real das ligas.
Assim,
provou-se que:
-
Elementos como silício, alumínio, titânio,
níquel e cobre se opõem a formação da cementite, favorecendo aparecimento
da grafite. São os elementos grafitizantes.
-
Elementos como o manganês, molibdênio,
crômio e vanádio favorecem a formação da cementite. São elementos antigrafitizantes.
Dado
que todos os ferros fundidos possuem, além do ferro e do carbono pelo menos
alguns destes elementos, as suas estruturas finais vão depender, para além da
velocidade de arrefecimento, da presença dos referidos elementos.
Posto
isto, vamos estabelecer uma classificação dos ferros fundidos, baseada
fundamentalmente no tipo de estrutura e composição química.
Dividiremos os ferros fundidos em:
Ferros fendidos ligados:
- cinzento; branco; maleáveis;
mistos.
Ferros fundidos especiais (ligados)
- resistentes ao calor;
- resistentes a corrosão;
- resistentes ao desgaste.
Ferros fundidos cinzentos
Os
ferros fundidos cinzentos, cuja estrutura estudamos no ponto anterior, devem a
seu nome a cor das suas superfícies de fratura.imagem microscopica do ferro fundido cinzento
Caracterizam-se por possuírem a maioria do carbono na forma de grafite,
que apresenta mais de 87% do total de carbono.
Para
que se forme grafite, é necessário uma velocidade de arrefecimento muito lenta
ou, sendo esta menos lenta, que existam na liga elementos que impeçam a
formação da cementite.
É por
isso que essas ligas são constituídas, além do ferro e do carbono, por uma
percentagem significativa de silício, algum manganês, enxofre e fosforo.
O teor
de carbono deste elemento esta compreendido entre 2,8 e 3,6%, podendo eventualmente atingir 4%. Este valor não é
geralmente ultrapassado por duas razoes:
- Para percentagens mais elevadas, as
características mecânicas do ferro fundido diminuem.
- a partir da composição eutética, começa a
formar-se a grafite primária que pode ser eliminada após a solidificação.
O
carbono, ao associar-se sob a forma de grafite, vai originar um constituinte
pouco duro, pouco tenaz e de cor negra responsável pela cor cinzenta observada
na superfície de fratura.
Quanto
maior for a percentagem de grafite, menos tenaz e menos duro será o ferro
fundido, embora apresente boas características de moldabilidade e
maquinabilidade. Além disso, dado que o espaço ocupado pela grafite é menor que
o ocupado pela cementite, esta compensa as contrações volúmicas provocadas pelo
arrefecimento e proporciona boas caraterísticas de amortecimento das vibrações.
Características mecânicas do ferros fundidos
cinzentos
Os
ferros fundidos cinzentos tem uma maior resistência a compressão do que a
tração e resistem mal aos choques.
Os
valores das características mecânica variam de acordo com a composição química,
com o tamanho do grão e com a forma das partículas de grafite. Serão mais
elevadas para percentagens de silício da ordem dos 2% e quando as partículas de
grafite forem menores.
As
características mecânicas obtém-se pelos ensaios clássicos. No entanto,
atualmente pode prever-se o valor de algumas propriedades dos ferros fundidos cinzentos,
uma vez conhecida a sua composição química.
Por exemplo: a dureza ou o módulo de
elasticidade podem obter-se através de ábacos construídos de acordo com
inúmeras experiências.
Antes de
vermos como se podem utilizar estes ábacos temos que fazer algumas
considerações:
- Sabemos que um ferro fundido não é
uma liga binaria de ferro e carbono, mas que possui sempre outros elementos de
liga que influenciam as suas propriedades mecânicas.
- Através de inúmeras experiências, chegou-se
à conclusão de que o efeito de certos elementos de liga nas propriedades
mecânicas podia ser traduzido em termos de percentagem de carbono. Isto é,
teoricamente, um dado elemento de liga pode ser substituído por um aumento ou
diminuição de percentagem de carbono na liga.
Assim,
por exemplo, a presença de 1% de silício num ferro fundido cinzento tem um
efeito sobre as propriedades mecânicas idêntico a presença de 0,312% de
carbono. Isto significa que 1% de silício é equivalente a 0,312% de carbono.
Sendo assim, podemos considerar a liga sem silício, desde que suponhamos a sua
percentagem em carbono aumentada de 0,312%
A
presença de 1% de manganês corresponde a uma diminuição ao teor de carbono na
liga de 0,06% e poderíamos fazer considerações semelhantes as anteriores.
Surgiu
assim a noção de carbono equivalente o que permite considerar qualquer liga
constituída apenas por ferro e carbono. É então possível comparar várias ligas entre
si, considerando a sua posição relativa ao diagrama de equilíbrio e inferir as suas
propriedades mecânicas.
Para
os ferros fundidos cinzentos e considerando como elemento de liga, para além do
ferro e carbono, o silício, o fósforo e o manganês, o carbono equivalente é
dado pela relação:
C
equivalente = % C total + 0,312 x Si + 0,33 x % P – 0,66 x % Mn.
Geralmente prescinde-se da correção para o manganês e fica:
C eq.
= % C tot + 1/3 (% Si + % P)
O fósforo,
no entanto, tem uma ação particular sobre a dureza que se não pode traduzir em
termos de carbono equivalente.
Então,
para se fazer a comparação entre dois ferros fundidos com diferentes teores de
fosforo, É necessário introduzir uma correção quanto a dureza. Na prática,
verificou-se que o aumento de 1% de fósforo implica um aumento de dureza de 30
HB no ferro fundido.
Podemos agora deduzir a expressão que nos permite saber qual a dureza
dos ferros fundidos admitindo que nenhum deles tem fósforo. Essa expressão será:
HB
corrigido = HB real – 30 x % P
Combinando as cocções de carbono equivalente e dureza corrigida, podemos
comparar e deduzir as caraterísticas de vários ferros fundidos, uma vez
conhecia a sua composição química, pela utilização de ábacos e formulas práticas.
Aplicação
Os
ferros fundidos cinzentos são utilizados na obtenção de mais variadas peças de
fundição, dado que são facilmente moldáveis e maquináveis.
A fundição é um processo de fabrico de
ampla aplicação, pois permite obter pecas complicadas com rapidez e com mínimo
de perda de material.
Ferros fundidos cinzentos nodulares
Umas
das limitações mais importantes dos ferros fundidos cinzentos resulta das suas
fracas características mecânicas, principalmente devido a presença da grafite
eutética.
Este
grafite lamelar forma, no interior da matriz, zonas de alta fragilidade,
responsáveis pela diminuição acentuada da tenacidade.
A
partir do final dos anos quarenta deste século, descobriu-se a forma de,
mantendo as boas características de moldabilidade e maquinabilidade dos ferros
fundidos cinzentos, eliminar a estrutura lamelar da grafite eutética.
Surgiram então os chamados ferros
fundidos nodulares, nos quais a grafite eutética aparece sob a forma de
pequena esferas, constituindo nódulos
uniformemente distribuídos.
Esta
estrutura obtém-se pela adição, no metal liquido, certos elementos, como o magnésio e o césio, que provocam a dispersão
da grafite, seguida da inoculação de ferro-silício o que evita a formação da
cementite dando origem a uma matriz de grão fino de elevada resistência ao
choque e a flexão.
Este
ferro apresenta ainda grande ductilidade, e excelentes características de
moldabilidade, estanqueidade e maquinabilidade, um elevado módulo de
elasticidade e boa resistência ao desgaste e a corrosão.
Pelas
suas características, os ferros fundidos nodulares substituem já, com grande vantagens
técnicas e econômicas os aços vazados e mesmo os forjados.
Ferros fundidos brancos
Os
ferros fundidos brancos tem uma estrutura já referida anteriormente e devem o
seu nome ao facto de apresentarem uma fratura de aspecto esbranquiçado.ferro fundido branco
Estas
ligas caracterizam-se por possuírem carbono não dissolvido sob a forma de
carbonetos de ferro (cementite).
Para
além do ferro e do carbono, contém pequenas percentagens de manganês, silício, enxofre e fosforo.
Vejamos agora a influência de cada um destes elementos nos ferros
fundidos brancos.
Carbono
– este elemento, como constituinte da cementite, é responsável pela elevada
dureza (300 a 500 HB) e pela grande resistência ao desgaste e oxidação. Por
isso, as peças obtidas com ferro fundido branco não podem ser maquinadas, a não
ser por esmerilamento, o que torna o seu emprego em fundição muito restrito.
Em peças
delgadas é também responsável por uma certa fragilidade.
Manganês
– este elemento favorece a formação da cementite e elimina o enxofre,
encontrando-se geralmente numa percentagem de ordem dos 0,4 a 1,5%.
Silício –
dado que dificulta a formação da cementite, este elemento é prejudicial, sendo
a sua percentagem media da ordem dos 0,5 a 1,5%.
Fósforo –
dada a sua pequena utilização desta liga em fundição, este elemento apenas
diminui as propriedades mecânicas, pelo que a sua percentagem não deve ser
superior a 0,5%.
Enxofre
– sendo um elemento acentuadamente antigrafitizante, a sua presença é
fortemente limitada pela existência do manganês, não ultrapassando geralmente
0,30%.
Características mecânicas dos ferros
fundidos brancos
Estas
ligas resistem melhor a compressão do que a tração, e são muito frágeis e duras
(HB 300 a 500). Tem elevada resistência ao desgaste e possuem elevada
resistência a corrosão.
Aplicação
Os
ferros fundidos brancos utilizam-se fundamentalmente como material de afinação
do fabrico do aço.
Em
fundição empregam-se em peças que necessitam de elevada dureza, boa resistência
a corrosão e não exijam trabalhos de acabamento como, por exemplo, corpos e
rodas de bombas, cilindros de laminadores, grelhas para caldeiras, etc.
Ferros fundidos maleáveis
As
grandes limitações dos ferros fundidos brancos, deve-se a sua fragilidade e
fraca maquinabilidade, o que torna muito dispendioso e difícil qualquer
trabalho de acabamento.
Para
eliminar estes inconvenientes, os ferros fundidos brancos são submetidos a tratamentos térmicos de maleabilização.
Um
destes tratamentos consiste em submeter as peças fundidas a dois estágios, de várias
horas, a temperaturas da ordem dos 800 a 1000°C, seguidos de arrefecimento
lento.
Por ação
deste tratamento, a cementite decompõe-se, dando origem a austenite e a grafite
recozida a qual se distribui entre os grãos formando pequenos nódulos. Esta
estrutura apresenta excelentes qualidades de resistência, maleabilidade e
ductilidade, semelhantes a dos aços. É o processo mais recente e mais
utilizado.
O
ferro fundido assim obtido designa-se por maleável
de núcleo negro devido ao aspecto da sua fratura.
Existe
outro tipo de ferro fundido maleável, designado por núcleo branco também devido ao aspecto da fratura, o qual é obtido
através de um tratamento semelhante (recozimento), mas realizado em atmosfera
oxidante o que provoca a eliminação de grande parte do carbono.
A
estrutura final obtida, em peças delgadas, é constituída essencialmente por
ferrite sem grafite; em peças mais espessas pode observar-se a existência de
perlite, pequenos nódulos de grafite e resíduos de cementite.
Ferros fundidos mistos
Os
ferros fundidos brancos e cinzentos são dois casos extremos.
Nos
primeiros, o carbono aparece em forma de grafite em percentagens superiores a
87%; nos segundos, todo o carbono (100%) aparece em forma de cementite.
Entre
estes dois tipos, é possível obter uma série de ligas em que as proporções da
grafite e da cementite variam entre esses dois valores extremos.
Isto
consegue-se variando a velocidade de arrefecimento e as percentagens dos
elementos grafitizantes ou antigrafitizantes. Obtemos, desta forma, os ferros
fundidos mistos.
A fratura
destes ferros fundidos intermédio apresenta-se mesclada de pontos cinzentos
numa massa branca.
As
características mecânicas vão depender da percentagem dos constituintes
estruturais, e apresentam valores intermédios entre os ferros fundidos brancos
e cinzentos.
Estas
ligas aplicam-se pouco industrialmente, devido à dificuldade de prever com
exatidão as características finais.
Ferros fundidos especiais
Num
ferro fundido normal, os elemento essenciais são o ferro e o carbono,
aparecendo outros elementos como o silício,
manganês, fosforo e enxofre em percentagens reduzidas, constituindo, em
alguns casos, impurezas.
Nos
ferros fundidos especiais,
adicionamos intencionalmente elementos como o níquel, crômio, molibdênio, e outros, em quantidades apreciáveis,
como o fim de obter uma melhoria das suas propriedades.
Podemos considerar como ferro
fundido especial aquele que contenha um ou vários destes elementos em
percentagens superiores as abaixo indicadas
|
Ni |
Cr |
Cu |
Ti |
V |
|
0,30% |
0,20%0 |
0,35% |
0,10% |
0,10% |
|
Mo |
Al |
Si |
Mn |
|
O,10% |
0,10% |
0,5% |
1,5% |
O silício e o manganês são elementos que
estão sempre presentes, mas só se consideram como elementos de liga, quando
presentes acima das percentagem atrás indicadas.
Existem ferros fundidos especiais que, além de apresentarem elevada
percentagem de elementos de liga, são submetidos a tratamentos térmicos e
químicos adequados a obtenção de determinadas propriedades.
O
grande interesse na utilização desses ferros fundidos, reside no facto de
conseguirmos obter muitas características iguais ou superiores as dos aços,
permitindo o seu uso na obtenção de peças por fundição.
De
entre as caraterísticas que se consegue melhorar refere-se:
- Resistencia mecânica a
quente;
- Resistencia a oxidação e
estabilidade a temperaturas elevadas;
- Resistencia a corrosão.
A título
de exemplo, vamos citar dois tipos de ferro fundidos especiais.
Ferros fundidos resistentes ao calor
e a corrosão
São
ferros em que a percentagem de silício
varia entre 4 a 10%, o que faz com que a grafite se distribua uniformemente,
formando uma estrutura fina que assegura uma elevada resistência a penetração
dos gases.
O silício, quando em grandes percentagens,
torna o ferro quebradiço não devendo, por isso, ultrapassar os 6%.
Quando
as exigências são mais elevadas, podemos recorrer a ferros com 1,4 a 4% de
crômio associado a 12 ou 14% de níquel, ou então, introduzir apenas crômio, em
percentagens de 28 a 36%.
Os
ferros de crômio e níquel denominam-se austeniticos.
Resistem bem a variações de temperatura, mesmo de ordem dos 1000°C, e são
magnéticos. São também resistentes a corrosão porque constituem uma estrutura
densa e compacta, livre de inclusões não metálicas.
Estes
ferros aplicam-se em grelhas e cadinhos de fornos, moldes para indústria
vidreira, suportes de sobreaquecedores, cubas, etc.
Ferros fundidos resistentes ao desgaste
Existem dois tipos fundamentais:
- os que resistem ao
desgaste por abrasão;
- os que resistem ao
desgaste por choque.
Os
primeiros contém níquel, crômio e
molibdênio, o que permite a obtenção de uma estrutura muito dura e de alta
resistência (estrutura martensítica e sorbitica).
Os
segundos contém crômio e alumínio e
são submetidos a um tratamento termoquímico a 525°C numa atmosfera de amoníaco.
No final obtemos um ferro de dureza elevada, da ordem dos 350 HB.
Estes
ferros aplicam-se em corpos de britadeiras, camisas de motores de camião e
motores de competição.