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Elementos Indesejáveis no Ferro Fundido Cinzento e Nodular

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Elementos Indesejáveis no Ferro Fundido Cinzento e Nodular 
por Robert Bigge, Instituto de Pesquisa do Ferro Fundido 
 
Mais e mais os aços baixa liga estão sendo produzidos nos dias de hoje. Estes aços estão 
encontrando seu caminho em suas pátios de carga. Alguns dos elementos que entram no seu 
processo nem mesmo são verificados com o seu equipamento de análise química padrão. A 
concentração destes elementos que provocam efeitos adversos pode ser tão baixa que pode não 
ser detectada com os espectrometros ópticos. 
Um efeito importante dos elementos indesejáveis é que eles alteram a temperatura do eutético 
da grafita e do ferro branco. Se tudo o mais, tal como a velocidade de resfriamento e o nível de 
inoculação permanecerem o mesmo, isto pode conduzir a problemas graves. A figura 1 é um 
diagrama de equilíbrio de fase idealizado. Este diagrama pode ser considerado como um mapa 
de rodovias para as estruturas que se formam durante o resfriamento do ferro líquido para o 
sólido. 
 
 
Figura 1 – Influência de diversos elementos sobre as temperaturas para os eutéticos ferro-grafita 
e ferro-carboneto de ferro. 
No mundo real, a temperatura do ferro cai abaixo da temperatura de equilíbrio antes do início 
da solidificação. Isto ocorre porque é necessário alguma coisa para iniciar a solidificação. Se a 
temperatura do ferro cai abaixo da temperatura eutética ferro-carboneto de ferro antes da 
solidificação se iniciar, existe energia diferencial suficiente para provocar a formação 
carbonetos. Esta solidificação inicial libera energia suficiente para aumentar a temperatura do 
líquido remanescente acima do eutético carboneto de ferro e o resto do líquido se solidifica 
como austenita e grafita eutética. A inoculação é utilizada para proporcionar núcleos para a 
solidificação começar a uma temperatura mais alta prevenindo a formação de carbonetos. 
 
Figura 2 – Curva de resfriamento de solidificação representando as condições para o ferro 
mesclado em um ferro mau nucleado e resfriado rapidamente. 
 
Se a situação mostrada na figura 2 ocorrer, então os carbonetos de ferro se formarão nas áreas 
superrefriadas das peças fundidas. Estes locais geralmente são cantos e bordas onde as taxas de 
extração de calor são muito elevadas. Se os elementos indesejáveis afetarem ambas as 
temperaturas eutéticas e causar a eleveção ou a aproximação das mesmas, os carbonetos de 
ferro irão se formar. 
A figura 3 é um exemplo de formações de carbonets nos cantos do fundido que fazem com que 
o trabalho da usinagem seja muito infeliz. 
O diagrama de fases representado na figura 4 mostra o efeito de vários elementos nas 
temperaturas do eutetico ferro-grafita e do eutetico ferro-carboneto de ferro. Alguns elementos 
tais como o cromo, um estabilizador de carboneto, causam a aproximação das duas 
temperaturas em conjunto. O elementos considerados grafitizantes, tais como o silício, 
aumentam o intervalo entre estas duas temperaturas. 
 
Figura 3 – Carbonetos eutéticos no canto de uma seção fina de ferro fundido nodular. Ataque 
Picral 4%, 75X. 
 
 
Figura 4 - Efeito de vários elementos nas temperaturas do eutético ferro-grafita e do eutético 
ferro-carboneto de ferro. 
Em 2005 Kanno e outros apresentaram um artigoo no Congresso de Fundição da AFS no qual 
eles mostraram os efeitos de muitos elementos sobre o que eles chamaram de DTE, isto é, a 
diferença de temperatura entre o eutético ferro-grafita e o eutético ferro-carboneto de ferro. No 
ferro "normal" essa diferença normalmente é de 35 a 45°C. A figura 5 mostra que um pequeno 
aumento no teor de alguns elementos pode fazer uma diferença muito grande. Se for levada em 
conta a segregação destes elementos para o último líquido a solidificar, este efeito pode ser 
bastante dramático. 
 
 
Figura 5 – Efeitos dos elementos de liga sobre a DTE. 
 
 
A tabela 1 faz parte do mesmo artigo e pode ser útil para dar uma ideia dos efeitos dos elementos 
indesejáveis ou residuais sobre as temperaturas do eutético ferro-grafita e do eutético ferro-
carboneto de ferro. 
 Como solidificação do ferro líquido original tem lugar, o ferro sólido pode não ser capaz de 
prender tanto de alguns elementos como o líquido faz. Estes elementos são forçados para fora 
e para dentro o líquido restante. Isto aumenta a sua concentração no líquido e pode aumentar 
ou diminuir o grafite e ferro branco temperatura eutética de o líquido restante. 
Tabela 1 – Efeito de vários elementos na temperatura eutética da grafita e da cementita e no 
coeficiente de distribuição. 
E
le
m
e
n
to
 
Presente Artigo 
Valor 
Calculado (6) 
Valor Calculado (7. Kagawa, 1986) 
TEG 
°C / % 
TEC 
°C / % 
DTE 
°C / % 
E.R.* 
°C / % 
Atividade de 
C (∆C / X) 
Px 
(A / L) 
Px 
(C / L) 
Px 
(C / A) 
DTE 
°C / % 
Si 4,7 -11,6 16,3 0,28 – 2,44 + 0,29 1,71 0,00 0,00 28,18 
Al 13,9 -1,8 15,7 0 – 0,49 + 0,215 1,15 0,03 0,03 17,85 
(C) 10,2 5,7 4,5 CE < 3,5 + 0,62 - - - - 
Cu 2,7 -1,4 4,1 0,08 – 2,63 + 0,075 1,57 0,12 0,08 10,36 
Co 1,8 -0,7 2,5 0 – 3,18 + 0,03 1,18 0,59 0,50 3,62 
P -28,9 -31,1 2,2 0,07 – 0,35 + 0,345 0,15 0,08 0,53 -1,67 
Ni 1,0 -1,1 2,1 0,15 – 2,57 + 0,05 1,46 0,43 0,29 7,47 
C 0,0 0,0 0,0 CE > 3,5 + 0,62 - - - - 
Sb -5,2 -5,1 -0,1 0 – 2,40 + 0,115 - - - - 
Mo -17,7 -14,5 -3,2 0,06 – 1,87 - 0,012 0,41 0,60 1,46 - 2,03 
Mn -4,0 -0,75 -3,25 0,44 – 2,69 - 0,03 0,70 1,03 1,47 - 4,91 
W -6,1 -2,8 -3,3 0,22 – 2,11 + 0,0015 0,26 0,42 1,62 - 0,98 
Sn -9,3 -6,0 -3,3 0 – 2,86 + 0,10 - - - - 
Nb -3,7 0,0 -3,7 0,38 – 1,37 - 0,14 - - - - 
S -20,5 -10,3 -10,2 0,16 – 0,44 + 0,41 - - - - 
Cr -10,5 5,9 -16,4 0,11 – 1,69 - 0,06 0,53 1,96 3,70 -16,36 
V -14,8 3,3 -18,1 0 – 1,29 - 0,095 - - - - 
(S) -50,0 -18,0 -32,0 0,45 – 0,64 + 0,41 - - - - 
B -80,3 -26,0 -54,3 0 – 0,50 + 0,465 0,06 0,22 3,67 - 15,74 
E.R.* significa a faixa experimental. 
 
Quando a solidificação do ferro líquido original ocorre, o ferro sólido pode não ser capaz de 
prender alguns elementos tanto quanto o líquido faz. Estes elementos são forçados para fora e 
para dentro do líquido restante. Isto aumenta a sua concentração no líquido e pode aumentar ou 
diminuir a temperatura eutética da grafita e do ferro branco para o líquido restante. 
A figura 6 mostra uma situação idealizada onde o último líquido não se solidifica antes que a 
temperatura fique abaixo da temperatura eutética do ferro branco (carboneto de ferro). Isto pode 
ser causado pela elevação da temperatura eutética do carboneto de ferro pelos elementos que 
são forçados para dentro do líquido restante. Este situação vai produzir carbonetos no último 
ferro a se solidificar nas áreas de contorno das celulas eutéticas ou nos centros térmicos das 
peças fundidas. 
Nesta situação, o aumento da concentração de elementos no líquido aumenta a temperatura 
eutética do carboneto de ferro para o ponto que está acima da temperatura do líquido e este 
último se solidifica na forma de carbonetos. 
A figura 7 é um exemplo de coquilhamento inverso. Ele ocorre no centro térmico ou no último 
local a se solidificar. Quando uma operação de usinagem encontra uma dessas estruturas, 
normalmente pode ocorrer a quebra da ferramenta. Isto pode parecer extremo, mas o mesmo 
tipo de enriquecimetno do líquido com elementos indesejáveis pode levar a formação de 
carbonetos em contorno de célula que podem ser muito difíceis de detectar e podem afetar a 
usinagem de maneira adversa. 
 
Figura 6 - Curva de resfriamento de solidificação representando as condições para o ferro que 
se solidifica abaixo da temperatura eutética do carboneto de ferro. 
 
 
Figura 7 – Forma acicular de coquilhamento inverso presente no centro de uma barra de ferro 
nodular de 30 mm de diâmetro. Ataque Picral 4%, 100X. 
Gostaria de discutir vários elementos específicos que nós temos visto nos últimos anos. Alguns 
elementos, tal como o chumbo, também afetam a forma da grafita na solidificação. O chumbo 
é encontrado em muitos lugares. Os aços de