Ferros Fundidos: Classificação e Propriedades

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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
Aula 13: Ferros fundidos
AULA 13: FERROS FUNDIDOS
Materiais de Construção Mecânica
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Temas/objetivos desta aula
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Ferros fundidos
Do ponto de vista do diagrama de equilíbrio Fe-C, ferros fundidos são ligas Fe-C com teores de carbono acima de 2%.
Na realidade, são ligas fundidas (ferro-carbono-silício), com teores de carbono geralmente entre 
2 e 4% e teores de silício entre 1 e 3% tal que, após solidificação, a microestrutura pode conter, além dos microconstituintes observados nos aços, carbono parcialmente livre, sob a forma, fundamentalmente, de veios/lamelas de grafita.
Introdução
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Ferros fundidos
Os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para a indústria, em função de suas características intrínsecas e também pela possibilidade de se adicionar elementos de liga, tornando-os tratáveis termicamente, originando categorias de materiais com emprego em aplicações que eram exclusivas dos aços.
Introdução
O verdadeiro diagrama de equilíbrio de fases ferro-carbono, com a grafita em lugar da cementita como uma fase estável. (CALLISTER Jr. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução, 9ª edição. LTC, 07/2016).
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Ferros fundidos
O seu uso, em uma série de aplicações, é resultado do seu, relativamente, baixo custo de fabricação e de sua versatilidade em termos de propriedades de engenharia.
Introdução
Decomposição do carbeto de ferro para formar ferrita e grafita. (CALLISTER Jr. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução, 9ª edição. LTC, 07/2016).
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Ferros fundidos
 - Ferro fundido cinzento (FC); 
- Ferro fundido branco (FB); 
- Ferro fundido maleável (FM); 
- Ferro fundido nodular, dúctil ou esferoidal (FE).
Classificação dos Ferros Fundidos
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Ferros fundidos
Composição Química dos Ferros Fundidos
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Ferros fundidos
C: Determina a quantidade de grafita que pode ser formada; 
Si: Elemento grafitizante, favorece a decomposição da cementita em grafita, dependendo do seu teor pode transformar o ferro fundido em cinzento ou branco; 
Mn: Efeito oposto ao do Si, tende a estabilizar a cementita contrabalançando o efeito do Si sendo também um elemento dessulfurante; 
P: Estabiliza a cementita (Fe3C); 
S: Em teores normais não têm ação significativa. 
Composição Química dos Ferros Fundidos
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Ferros fundidos
Está relacionada com a espessura das peças que solidificam em moldes. Pequenas seções significam velocidades de resfriamento mais elevadas que seções espessas. O aumento da velocidade de resfriamento em seções finas e em moldes metálicos, originam seções em que não ocorre decomposição da cementita em grafita, resultando na formação de ferro fundido branco. 
Velocidade de Resfriamento dos Ferros Fundidos
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Ferros fundidos
Velocidade de Resfriamento dos Ferros Fundidos
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Ferros fundidos
Velocidade de Resfriamento dos Ferros Fundidos
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Ferros fundidos cinzentos
 Entre os ferros fundidos é o mais usado devido à sua fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. Superfície de fratura de coloração cinza escuro.
Introdução
Microestrutura esquemática de um ferro fundido cinzento perlítico. Disponível em: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=13&top=240. Acesso em: 14 nov. 2016.
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Ferros fundidos cinzentos
Dureza: 100 a 600 HB; 
Resistência à compressão: 50-140 kgf/mm2 (é 3-4,5 vezes a resistência à tração); 
Limite de fadiga: 6-17,5 kgf/mm2; 
Resistência ao choque: normalmente frágeis, mas os ligados e adequadamente tratados termicamente podem atingir valores de 7-14 kgf.m.
Propriedades Mecânicas
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Ferros fundidos cinzentos
Comparação entre as capacidades relativas de amortecimento às vibrações (a) do aço e (b) do ferro fundido cinzento. (CALLISTER Jr. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução, 9ª edição. LTC, 07/2016).
Propriedades Mecânicas
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Ferros fundidos brancos
São ferros fundidos em que o carbono se apresenta, praticamente todo, na forma combinada (cementita). Superfície de fratura de coloração clara. Ferros fundidos brancos não ligados apresentam, normalmente, matriz perlítica (fina).
Introdução
Microestrutura de um ferro fundido branco (veios de cementita em rosa). Disponível em: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=13&top=242. Acesso em: 14 nov. 2016.
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Ferros fundidos brancos
Adicionando-se elementos de liga como Cr, Ni, Mo, e V, a matriz pode se tornar martensítica, bainítica ou austenítica. Os FB apresentam elevada dureza e resistência ao desgaste o que os torna difíceis de usinar.
Introdução
Microestrutura de um ferro fundido branco (matriz de ledeburita em azul). Disponível em: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=13&top=242. Acesso em: 14 nov. 2016.
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Ferros fundidos brancos
Na sua produção, combina-se os teores de carbono e silício e a velocidade de resfriamento a qual é atingida por meio de coquilhas (moldes metálicos). As peças coquilhadas são submetidas a tratamento térmico (815-870ºC / 7-20h seguido de resfriamento lento) para alívio de tensões e para uniformizar a estrutura.
Introdução
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Ferros fundidos brancos
Revestimentos de moinhos (415-460 HB ou 550-650 HB/ligados com Cr e Ni);
Bolas de moinhos de bolas (415-477 HB ou 555-627 HB/ligados com Cr e Ni); 
Rodas de ferro coquilhado para vagões; 
Cilindros de laminação para borracha, vidro, plástico e metais; 
Peças pesadas para britamento de minérios.
Aplicações
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Ferros fundidos maleáveis
 São importantes materiais de engenharia já que apresentam uma série de desejáveis propriedades tais como facilidade de fusão, usinabilidade, tenacidade e ductilidade, resistência à corrosão para certas aplicações e resistência mecânica adequada. A estrutura dos ferros fundidos maleáveis é obtida por meio de tratamento térmico dos fundidos que têm estrutura de ferros fundidos brancos (cementita).Introdução
Microestrutura de um ferro fundido maleável perlítico. Disponível em: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=13&top=243. Acesso em: 14 nov. 2016.
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Ferros fundidos maleáveis
Os fundidos em ferro fundido branco (sem nenhuma ou pouca ductilidade) são convertidos em ferros fundidos maleáveis (ferríticos ou perlíticos) por meio de um tratamento térmico apropriado de recozimento ou tratamento térmico de maleabilização.
Introdução
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Ferros fundidos maleáveis
 Tratamento térmico ao qual se submetem ferros fundidos brancos, de composições bem definidas, com carbono na forma primária de cementita e perlita, e que consiste em um aquecimento prolongado (900-1000ºC/15-72h), de modo a provocar transformação de parte ou totalidade do carbono combinado em grafita ou, em certos casos, eliminar completamente uma parte do carbono.
Maleabilização
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Ferros fundidos maleáveis
Conexões para tubulações hidráulicas;
Conexões para linhas de transmissão elétrica; 
Correntes; 
Suportes de molas; 
Caixas de direção; 
Cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de embreagem e freio. 
Aplicações
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Ferros fundidos nodulares
Consiste em esferoides de grafita dispersos em uma matriz de ferrita, perlita ou ambos. Durante a sua solidificação, o carbono se decompõe sob a forma de grafita esferoidal em contraste com a grafita lamelar, normalmente formada nos ferros fundidos cinzentos.
Introdução
Microestrutura com nódulos de grafita de um ferro fundido nodular. Disponível em: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=13&top=241. Acesso em: 14 nov. 2016.
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Ferros fundidos nodulares
Por essa razão, esses ferros fundidos possuem uma combinação de propriedades tais como baixa temperatura de fusão e boa fluidez e bom preenchimento dos moldes, excelente usinabilidade e boa resistência ao desgaste.
Além disso, esses materiais apresentam elevadas resistência mecânica, ductibilidade e tenacidade. Apresentam, em particular, elevada tensão de escoamento, superior às demais classes de ferros fundidos e aços ao carbono.
Introdução
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Ferros fundidos nodulares
Para o processamento desse tipo de ferro fundido é feita a transferência do metal líquido para uma panela de nodularização contendo no fundo briquetes ou cavacos de magnésio (ou cério) ou sob a forma de pré-ligas (ex: 5Mg45Si50Fe; 12Mg40Si18Cu30Fe).
Introdução
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Ferros fundidos nodulares
Compressores e lingoteiras; 
Encanamentos e acessórios; 
Bielas e peças em geral que exijam maior resistência ao choque; 
Equipamento agrícola e ferroviário; 
Máquinas operatrizes; 
Engrenagens; 
Mancais e matrizes; 
Virabrequins, tambores de freio, polias. 
Aplicações
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Exercícios
Por que o silício é um elemento importante na fabricação de ferros fundidos?
Qual é a classificação dos ferros fundidos?
O que é maleabilização?
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Respostas dos exercícios
Porque o silício é o elemento grafitizante, favorece a decomposição da cementita em grafita, dependendo do seu teor pode transformar o ferro fundido em cinzento ou branco; 
Ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos maleáveis, ferros fundidos nodulares e ferros fundidos brancos.
Tratamento térmico ao qual se submetem ferros fundidos brancos, de composições bem definidas, com carbono na forma primária de cementita e perlita, e que consiste em um aquecimento prolongado (900-1000ºC/15-72h) de modo a provocar transformação de parte ou totalidade do carbono combinado em grafita ou, em certos casos, eliminar completamente uma parte do carbono.
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Saiba mais
Ler a tese de doutorado: Um estudo do mecanismo de desgaste em disco de freio automotivo ventilado de ferro fundido cinzento perlítico com grafita lamelar. Disponível em: www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-12052005.../USP3545431.pdf;
Ler os capítulos 28, 29, 30, 31 e 33 do livro Aços e Ferros Fundidos (CHIAVERINI, V. São Paulo: ABM, 2012. p.493-553 e 559-574.
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29
VAMOS AOS PRÓXIMOS PASSOS?
 
Materiais poliméricos.
AVANCE PARA FINALIZAR A APRESENTAÇÃO.
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