ESTUDO 1 MICRO II

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EEIMVR- Outubro 2018
Efeito dos elementos de liga nos ferros fundidos cinzentos
Ana Carolina Figueredo Fernandes Galocha
Júlia Mendes dos Santos
Ferros fundidos cinzentos não ligados possuem boa resistência à compressão, porém não conferem boa resistência à tração. Os elementos de liga são adicionados principalmente para melhorar resistência térmica, mecânica e à corrosão. Neste trabalho foram citados os principais elementos de liga presentes nos ferros fundidos cinzentos e quais os efeitos provocados por eles. 
Manganês (Mn)
O manganês é utilizado para controle do enxofre. Quando não há concentração suficiente deste elemento, o enxofre reage com o ferro gerando FeS, fase esta com baixo ponto de fusão que provoca fragilidade à quente. O enxofre também pode gerar outros efeitos negativos como a degeneração de forma da grafita, carbonetos intercelulares e perlita de alta dureza. O manganês tem maior afinidade com o enxofre do que o ferro formando assim MnS; então a adição de manganês se faz necessária para amarrar o enxofre e evitar essas consequências indesejadas. Encontra-se uma sugestão antiga da literatura que diz que o Mn deve se apresentar em excesso da relação estequiométrica (Mn:S=1,7:1). Mampaey ofereceu um refinamento a essa fórmula, recomendando um excesso de Mn de 0,2 a 0,3% para ferros com 0,1% S ou menos, e um excesso de Mn de 0,4 a 0,5% para ferros com mais de 0,1% S. Outros recomendaram controlar a relação Mn: S no intervalo de 2 a 7. 
É importante ressaltar que o manganês tem efeito oposto ao silício, estabilizando a cementita, se opondo à ação grafitizante do silício. Dessa forma, como geralmente existe um excesso de manganês, há estabilização da perlita.
Figura 1: (a) Distribuição interdendrítica de inclusões MnS em uma amostra com 0.28%Mn e 0.04%S. (b) Distribuição uniforme de inclusões MnS em uma amostra com 0.78%Mn e 0.11%S.(FONTE:²)
Figura 2. Carbonetos intercelulares numa amostra com 0.28%Mn e 0.10%S. (FONTE:²)
Figura 3: Estrutura da grafita numa amostra com resistência mais alta(com 0.28%Mn e 0.02%S). (FONTE:²)
Figura 4: Estrutura da grafita numa amostra com resistência mais baixa (com 0.28%Mn e 0.15%S). (FONTE:²)
Silício (Si)
Considerado, juntamente com o carbono, como elemento fundamental e mais influente na estrutura do ferro fundido, o silício tem como principais características : o deslocamento do eutético (aumenta a temperatura do eutético estável) ; a tendência grafitizante (aumenta o campo de estabilidade da grafita, favorecendo sua precipitação) e a diminuição da solubilidade do carbono na austenita, mantendo mais carbono no líquido. Conforme o teor de silício aumenta, o teor de carbono do eutético diminui. Além disso, o silício reduz a estabilidade da cementita e assim promove a sua decomposição em ferrita e grafita. O eutético austenita-grafita se forma em células que vão crescer, de modo inicial, sem impedimento na fase líquida. Nestas células, é comum ter grafita lamelar. Pelo fato do teor do carbono no eutético não ser 4.3%, pode-se obter ferros fundidos cinzentos hipereutéticos com teores de carbono usados na prática. 
Fósforo (P)
O fósforo é um elemento estabilizador do carboneto de ferro, tende ação na estrutura do material. Em teores normais a baixos atua como grafitizante. Em teores elevados pode provocar fragilidade, porém no caso dos ferros fundidos cinzentos não é crítico, pois eles já possuem baixa tenacidade; na verdade, este alto teor está sendo aplicado para peças de alta resistência ao desgaste. Outro fato interessante é que o fósforo pode dar origem a eutéticos binários, como a esteadita, ou ternários. 
Cobre (Cu)
O cobre é um elemento estabilizador da austenita e um moderado grafitizante. Além disso, promove a formação da perlita e aumenta sua resistência. De acordo com Bates, a adição de cobre até aproximadamente 0,5% aumenta a resistência à tração, mas com concentrações maiores produzem um efeito quase insignificante conforme a estrutura original (não ligado) se torna completamente perlítica. É esperado que numa matriz ferrítica ou ferrítica perlítica, o cobre provoque maior efeito. A resistência à tração assim como a dureza aumentam com o aumento do cobre. 
Molibdênio (Mo)
Este elemento é estabilizador da ferrita e formador de carbonetos. O molibdênio é usado para aumento de dureza e resistência e isso ocorre, pois a austenita é transformada desde perlita fina até bainita. É geralmente adicionado ao ferro fundido cinzento para refino da perlita, lembrando que ele não promove sua formação. Este elemento é normalmente utilizado numa forma de composto (Fe,Mo), contendo cerca de 60-70% de Mo. 
Cobre e Molibdênio (Cu e Mo)
K. L. Hugrynen, D. J. Moore e Kandman relataram aumento das propriedades mecânicas adicionando pequenos percentuais de cobre e molibdênio. Estes elementos executam diferentes funções e, portanto, podem complementar um ao outro quando combinados adequadamente.
Figura 5: Microestruturas para ferro fundido não ligado e ligado com aumento de cobre, mantendo molibdênio fixo com 0.5%. (FONTE: ¹)
Tabela 1: Efeito na resistência com variação do cobre e 0.55% de molibdênio. (FONTE: ¹)
Nota-se que a adição de cobre aumentou o limite de resistência, inicialmente de maneira bem expressiva e depois menos acentuada. Fazendo valer a ideia de que uma vez que a matriz se torna perlítica, o aumento do cobre não terá tanto impacto. 
Figura 6: Microestruturas para ferro fundido não ligado e ligado com aumento de molibdênio, mantendo cobre fixo com 2%.(FONTE: ¹)
Tabela 2: Efeito na resistência com variação do molibdênio e 2% de cobre. (FONTE: ¹)
Conforme aumenta o percentual de Mo tanto a dureza quanto a resistência a tração aumentam, porém este aumento não é similar ao cobre. Isto porque uma vez que há o aumento do molibdênio mantendo cobre com 2%, a estrutura ferrítica-perlítica é formada. Como o molibdênio retarda a reação perlítica e não tem efeito na reação ferrítica, a matriz permanece ferrítica-perlítica. 
Conclusão
Para alcançar as propriedades desejadas no ferro fundido cinzento, os elementos de liga mais usuais são o manganês (para evitar FeS) e o silício. Outros elementos também importantes são o cromo e molibdênio. Observa-se que se faz necessário o uso combinado destes elementos de liga, que alteram a microestrutura, e, consequentemente propriedades tais como resistência à tração e dureza. No caso dos ferros fundidos cinzentos ligados com Cr e Mo, pode-se concluir que a resistência a tração e a dureza estão relacionadas com a quantidade de perlita na matriz. O aumento da resistência parece estar relacionado com o endurecimento por solução sólida do cobre e com a perlita fina gerada. 
Referências
¹ Bihari B., Kumar R. Effect on the Mechanical Properties of Gray Cast Iron with Variation of Copper and Molybdenum as Alloying Elements. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). Vol. 3 Issue 5, May – 2014.
² Gundlach R.,Meyer M., Winardi L.. Influence of Mn and S on the properties of cast iron part III- Testing and analysis. International Journal of Metalcasting/Volume 9, Issue 2, 2015.
³ Chiaverini V. Aços e Ferros Fundidos. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração. 7° edição, 2015.
4 Colpaert, H; Costa e Silva, A. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns.4ªedição, 2008.
ANEXO 1
Tabela 160
Efeitos estruturais de alguns elementos no ferro fundido
	Elemento
	Efeitos durante a solidificação
	Efeito durante a reação eutetóide
	Alumínio 
	Forte grafitizante.
	Promove a formação de ferrita e grafita.
	Antimônio
	Nas quantidades usadas, pequeno efeito.
	Forte estabilizador da perlita.
	Boro, até 0,15%
	Forte grafitizante.
	Promove a formação de grafita.
	Boro, acima de 0,15%
	Estabilizador do carboneto.
	Forte tendência à retenção da perlita.
	Cromo
	Forte ação carbonetante. Forma carbonetos muito complexos estáveis.
	Forte tendência à formação de perlita.
	Cobre
	Grafitizante fraco.Promove a formação da perlita.
	Manganês
	Fraca tendência carbonetante.
	Formador de perlita.
	Molibdênio
	Fraca tendência carbonetante.
	Forte formador de perlita.
	Níquel 
	Grafitizante.
	Fraco promotor de perlita.
	Silício
	Forte grafitizante.
	Promove a formação de ferrita e grafita.
	Telúrio
	Forte tendência carbonetante, mas não estabilizadora.
	Muito fraco estabilizador da perlita.
	Estanho
	Pequeno efeito na quantidade usada.
	Forte tendência à retenção da perlita.
	Titânio, até 0,25%
	Grafitizante.
	Promove a formação de grafita.
	Vanádio
	Forte tendência carbonetante.
	Forte formador da perlita.
Fonte: Vicente Chiaverini. Aços e Ferros Fundidos. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração. 7° edição, 2015.