Tipos de peças fundidas de ferro

Tipos de peças fundidas de ferro

Este capítulo discutirá os vários tipos de peças fundidas de ferro.

Fundição de ferro cinzento

A característica do ferro fundido cinzento é a microestrutura gráfica, capaz de causar fraturas no material e apresentar uma aparência acinzentada. Este é o tipo de ferro fundido mais utilizado e também o material mais utilizado com base no peso. A maioria dos ferros fundidos cinzentos apresenta uma composição química de 2,5% a 4% de carbono, 1% a 3% de silício e o restante é composto de ferro.

Este tipo de ferro fundido apresenta menor resistência à tração e menor resistência ao choque em comparação ao aço. Sua resistência à compressão é comparável à do aço de baixo e médio carbono.

Todas essas propriedades mecânicas são controladas pelo formato e pelo tamanho dos flocos de grafite, que estão presentes na microestrutura do ferro fundido cinzento.

Fundição de ferro branco

Este tipo de ferro apresenta superfícies fraturadas e brancas devido à presença de um precipitado de carboneto de ferro denominado cementita. O carbono contido no ferro fundido branco precipita da massa fundida como cementita em fase estável, em vez de grafite. Isso é obtido com menor teor de silício como agente grafitizante e uma taxa de resfriamento mais rápida. Após essa precipitação, a cementita se forma como partículas grandes.

Durante a precipitação do carboneto de ferro, o precipitado extrai carbono da massa fundida original, movendo a mistura em direção a uma fase mais próxima do eutético. A fase restante reduz o ferro a austenita de carbono, que se transforma em martensita após o resfriamento.

Esses carbonetos eutéticos contidos são muito grandes para proporcionar o benefício do endurecimento por precipitação. Em alguns aços, pode haver precipitados de cementita muito menores que podem levar à deformação do plástico, impedindo o movimento das discordâncias através da matriz de ferrita de ferro puro. Eles têm uma vantagem, pois aumentam a dureza aparente do ferro fundido simplesmente devido à sua própria dureza e fração volumétrica. Isso permite que a dureza aparente seja aproximada por uma regra de misturas.

Em qualquer caso, essa dureza é oferecida em detrimento da tenacidade. O ferro fundido branco pode ser geralmente classificado como um cimento, visto que o carboneto compõe uma fração maior do material. O ferro fundido branco é muito frágil para ser usado em componentes estruturais, mas devido à sua boa dureza, resistência à abrasão e baixo custo, pode ser usado como superfície de desgaste de bombas de polpa.

É difícil resfriar peças fundidas espessas a uma taxa mais rápida, suficiente para solidificar o fundido como ferro fundido branco. No entanto, o resfriamento rápido pode ser utilizado para solidificar uma grande quantidade de ferro fundido branco. Após isso, o restante do ferro fundido resfriará em um ritmo mais lento, formando um núcleo de ferro fundido cinzento. Essa fundição resultante é chamada de fundição resfriada e apresenta as vantagens de ter uma superfície dura, mas com um interior mais resistente.

Ligas de ferro branco com alto teor de cromo tinham a capacidade de permitir a fundição em areia de grandes quantidades, com um rotor de cerca de 10 toneladas. Isso se deve ao fato de que o cromo reduz a taxa de resfriamento necessária para produzir carbonetos através de espessuras maiores de material. Carbonetos com excelente resistência à abrasão também são produzidos por elementos de cromo.

Fundição de ferro maleável

O ferro fundido maleável começa como uma peça fundida de ferro branco, depois é tratado termicamente a temperaturas de cerca de 950°C por dois ou um único dia e, então, é resfriado pelo mesmo período de tempo.

O carbono no carboneto de ferro se transforma em grafite, ferrita e carbono devido a esse processo de aquecimento e resfriamento. Este é um processo simples, mas permite que a tensão superficial transforme o grafite em partículas esferoidais em vez de flocos.

Os esferoides são relativamente curtos e mais distantes uns dos outros devido à sua baixa razão de aspecto. Eles também contêm uma seção transversal menor, uma trinca propagadora e um fóton. Ao contrário das escamas, eles contêm contornos rombudos que contribuem para o alívio dos problemas de concentração de tensões encontrados no ferro fundido cinzento. Em suma, as propriedades presentes no ferro fundido maleável são mais semelhantes às do aço, que é de natureza macia.

Fundição de ferro dúctil

Às vezes chamado de ferro fundido nodular, este ferro fundido apresenta grafite na forma de nódulos muito pequenos, com a grafite em camadas concêntricas, formando assim os nódulos. Devido a isso, as propriedades deferro fundido dúctilsão de um aço esponjoso que não apresenta efeitos de concentração de tensões produzidos pelos flocos de grafite.

A concentração de carbono contida é de cerca de 3% a 4%, e a de silício, de 1,8% a 2,8%. Pequenas quantidades de 0,02% a 0,1% de magnésio e apenas 0,02% a 0,04% de cério, quando adicionadas a essas ligas, diminuem a taxa de crescimento da precipitação de grafite por meio da ligação às bordas das pistas de grafite.

O carbono pode ter a chance de se separar como partículas esferoidais à medida que o material se solidifica, devido ao controle cuidadoso de outros elementos e ao timing adequado durante o processo. As partículas resultantes são semelhantes às do ferro fundido maleável, mas as peças podem ser fundidas com seções maiores.

Elementos de Liga

As propriedades do ferro fundido são alteradas e vários elementos de liga ou ligantes são adicionados a ele. O elemento silício está alinhado com o carbono, pois tem a capacidade de forçar o carbono a sair da solução. Uma porcentagem menor de silício não consegue atingir esse objetivo completamente, pois permite que o carbono permaneça na solução, formando carboneto de ferro e também produzindo ferro fundido branco.

Uma porcentagem ou concentração maior de silício é capaz de forçar o carbono para fora da solução, formando grafite e também produzindo ferro fundido cinzento. Outros agentes de liga não mencionados incluem manganês, cromo, titânio e vanádio. Estes neutralizam o silício, além de promover a retenção de carbono e, consequentemente, a formação de carbonetos. O níquel e o cobre apresentam uma vantagem, pois aumentam a resistência e a usinabilidade, mas não conseguem alterar a quantidade de carbono formado.

O carbono na forma de grafite resulta em um ferro mais macio, reduzindo assim o efeito da retração, diminuindo a resistência e a densidade contida. O enxofre é principalmente um contaminante quando contido e forma sulfeto de ferro, o que impede a formação de grafite e também aumenta a dureza.

A desvantagem do enxofre é que ele torna o ferro fundido viscoso, o que causa defeitos. Para compensar e eliminar os efeitos do enxofre, adiciona-se manganês à solução. Isso ocorre porque, quando os dois se combinam, formam sulfeto de manganês em vez de sulfeto de ferro. O sulfeto de manganês resultante é mais leve que o fundido e tende a flutuar para fora do fundido e entrar na escória.

A quantidade aproximada de manganês necessária para anular os efeitos do enxofre é de 1,7 unidades de teor de enxofre, acrescida de 0,3%. A adição de uma quantidade superior a essa de manganês resulta na formação de carboneto de manganês, o que aumenta a dureza e o resfriamento, exceto no ferro fundido cinzento, onde até 1% de manganês pode aumentar a resistência e a densidade contidas. O níquel é um dos elementos de liga mais comuns, pois tem a tendência de refinar a perlita e a estrutura da grafita, melhorando assim a tenacidade e equilibrando a diferença de dureza entre as espessuras das seções.

O cromo é adicionado em pequenas quantidades para reduzir a grafita livre e produzir um resfriamento. Isso ocorre porque o cromo é um poderoso estabilizador de carboneto e, em alguns casos, pode funcionar em conjunto com o níquel. Para o cromo, uma pequena quantidade de estanho também pode ser adicionada. O cobre é adicionado na panela ou forno na ordem de 0,5% a 2,5% para reduzir o resfriamento, refinar a grafita e aumentar a fluidez. O molibdênio também pode ser adicionado na ordem de 0,3% a 1% para aumentar o resfriamento, refinar a grafita e refinar a estrutura da perlita.

Geralmente, é adicionado em conjunto com níquel, cobre e cromo para produzir ferros de alta resistência. O elemento titânio é adicionado para atuar como desgaseificador e desoxidante, além de aumentar a fluidez. Proporções de 0,15% a 0,5% do elemento vanádio são adicionadas ao ferro fundido e ajudam a estabilizar a cementita, aumentando a dureza e resistindo ao desgaste e aos efeitos do calor.

O zircônio auxilia na formação da grafite e é adicionado em proporções de cerca de 0,1% a 0,3%. Este elemento também auxilia na desoxidação e no aumento da fluidez. Em fundidos de ferro maleável, para aumentar a quantidade de silício que pode ser adicionada, o bismuto é adicionado em uma escala de 0,002% a 0,01%. No ferro branco, o elemento boro é adicionado, o que auxilia na produção de ferro maleável e reduz o efeito de engrossamento do elemento bismuto.