14 Ferros Fundidos

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Ferros Fundidos
Prof. Dr. José Henrique Alano
Introdução
Outra classe de ligas muito utilizada são os ferro fundidos
(fofos). Podemos destacar:
▪ Ferro fundido cinzento;
▪ Ferro fundido nodular;
▪ Ferro fundido vermicular;
▪ Ferro fundido maleável;
▪ Ferro fundido branco;
▪ Ferro fundido mesclado e coquilhado.
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Carbono se encontra na 
forma de carbono livre 
(grafita)
C combinado
Fe3C
Ferros Fundidos
✓ Ferro fundido: liga ferrosa contendo carbono acima de
2,14% em peso→ 3 – 4.5 % C + 1 - 3 % Si;
✓ Barato;
✓ Baixa temperatura de fusão (entre 1150 °C e 1300 °C);
✓ Vantagem – produção de peças complexas;
✓ Desvantagem – frágil.
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Ferros Fundidos
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Líquido
Austenita
a + Fe3C
d
g+ L
a + g
L + Fe3C
723˚C
910˚C
0% 0.8% ~2% ~4.3%
a
g + Fe3C
Ferro FundidoAços
Ferros Fundidos
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Figura: Microestrutura eutética da liga Fe-C (Ledeburita).
Ferros Fundidos – Influência na Microestrutura
✓ Taxa de solidificação
▪ Taxas lentas permitem a formação de grafita → ferro
fundido cinzento.
▪ Solidificação rápida tende a formar ferro fundido branco.
▪ Coquilhas podem ser utilizadas em áreas que necessitam
de maior dureza.
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Ferros Fundidos – Influência na Microestrutura
✓ Teor de carbono
▪ Quanto maior o teor de carbono, maior a tendência de
formar ferro fundido cinzento;
✓ Presença de outros elementos
▪ Alguns elementos promovem a formação de grafita na
estrutura do ferro fundido (grafitizante);
▪ Si, Al, Ni e Cu possuem esta característica.
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Composição e tipos de FoFo
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Efeito da composição
Carbono equivalente
▪ Um Ceq acima de 4,3 (hipereutético) favorece a estrutura
do FF cinzento;
▪ Um Ceq menor que 4,3 (hipoeutético) favorece a
formação da estrutura do FF branco.
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Ceq = %C + (%Si + %P)/3
Efeito dos elementos de liga
✓ Silício
▪ Aumenta o super-resfriamento necessário para a
formação da cementita → promovendo a formação de
grafita;
▪ Melhora a fluidez;
▪ Promove a precipitação de grafita secundária na grafita
primária durante a transformação eutetóide, resultando
em áreas de ferrita (ferrita livre) ao redor da grafita.
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Efeito dos elementos de liga
✓ Silício
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Figura: Fofo cinzento perlítico e Fofo nodular 60-40 ferrita-perlita.
Ferrita livre
Efeito dos elementos de liga
✓ Enxofre
▪ Impureza residual;
▪ Estabiliza a cementita e previne a formação de grafita →
endurece o FF;
▪ Reduz a fluidez e fragiliza o FF pela formação de sulfeto
de ferro (FeS) nos contornos de grão. No entanto, pode
melhorar a usinabilidade do FF pela presença de inclusão
de sulfeto de manganês.
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Efeito dos elementos de liga
✓ Enxofre
16Fonte: Pereira, A. A.
Minimiza a adesão de
material nas superfícies
da ferramenta.
Efeito dos elementos de liga
✓ Manganês
▪ É essencial a adição de pequenas quantidades → se
combina com o S para formar MnS que é insolúvel no
ferro e vai para a escória;
▪ Indiretamente “amolece” e aumenta a tenacidade do FF
devido a remoção de enxofre.
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Efeito dos elementos de liga
✓ Fósforo
▪ Impureza residual;
▪ Forma um eutético com ferro→ conhecido por steadita;
▪ Está presente na forma Fe3P;
▪ Fragiliza o FF;
▪ Deve ser mantida na menor concentração possível.
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Efeito dos elementos de liga
✓ Fósforo
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Steadita
Efeito dos elementos de liga
✓ Fósforo
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Representa o limite de resistência em ksi (klb-força/in2)
Ferro Fundido Cinzento
✓ 2,5 – 4 %C, 1 – 3 %Si.
✓ A superfície fraturada de aparência cinza dá o nome do FF;
✓ Solidifica de acordo com o diagrama de equilíbrio Fe-C;
✓ O Si estabiliza o sistema Fe-C ao invés de Fe-Fe3C.
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Ferro Fundido Cinzento
✓ Microestrutura: grafite na forma de veios cercado por uma
matriz de ferrita-α ou perlita;
✓ Resfriamento lento: formação de dendritas de austenita
primária → formação de austenita + grafita → o C é
rejeitado da austenita e vai para a grafita. Microestrutura
final formada por veios de grafita em uma matriz ferrítica →
FF cinzento ferrítico.
✓ Resfriamento rápido: ocorre a transformação eutetóide ->
grafita + perlita -> FF cinzento perlítico.
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Microestrutura do Ferro Fundido
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FF cinzento ferrítico
grafita
ferrita
perlita
Microestrutura do Ferro Fundido
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grafita
perlitaFF cinzento perlítico
Características do FF Cinzento
✓ É um dos materiais metálicos de menor custo;
✓ Alta fluidez – fácil de fundir e produzir peças com geometria
complexas;
✓ Boas propriedades mecânicas sob compressão;
✓ Frágil devido à morfologia dos veios de grafita;
✓ Boa usinabilidade e condutividade.
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Características do FF Cinzento
✓ Amortecimento
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Aplicações do FF Cinzento
✓ Base para máquinas e equipamentos pesados, blocos de
motor, cilindros de motor, anéis de pistão, discos e
tambores de freio, entre outros.
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FF Dúctil/Nodular
✓ Adição de Mg (~ 0,1%) e/ou Ce ao Fe-C na faixa de
composição do ferro fundido cinzento;
✓ Baixo teor de S e P;
✓ Maior resistência e ductilidade que FF cinzento de
composição similar;
✓ A morfologia da grafita melhora a ductilidade do FF;
✓ Microestrutura: grafita esferoidal em matriz ferrítica e/ou
perlítica.
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Microestrutura do FF Nodular
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α- ferrita
Grafite
nodular
Propriedades do FF Nodular
✓ alta ductilidade;
✓ alta resistência;
✓ alto módulo elasticidade;
✓ boa usinabilidade;
✓ resistente ao desgaste;
✓ pobre resistência à corrosão.
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Aplicações do FF Nodular
✓ válvulas, engrenagens, virabrequins, pistões, rolos para
laminadores, entre outras.
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Aplicações do FF Nodular
✓ válvulas, engrenagens, virabrequins, pistões, rolos para
laminadores, entre outras.
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FF branco
✓ Composição típica: 1.8 – 3.6 % C, < 1 % Si.
✓ Superfície de fratura de aparência branca -> denominado ferro
fundido branco;
✓ solidificação ocorre de acordo com o diagrama de fase
metaestável do Fe (F-Fe3C);
✓ Formação das fases: dendritas primárias de austenita ->
transformação eutética formando austenítica e cementita -> com
o resfriamento, mais cementita é formada com a rejeição de C da
austenita -> abaixo da temp. eutetóide a perlita é formada.
✓ Microestrutura final consiste de cementita e perlita.
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Microestrutura FF branco
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Fe3C
pearlita
A cementita torna o FF branco muito duro e
resistente ao desgaste.
Propriedades do FF branco
✓ Duro, frágil e quase impossível de usinar;
✓ Elevada resistência à compressão;
✓ Excelente resistência ao desgaste.
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Aplicações do FF branco
✓ Rolos em laminadores, bielas, engrenagens de transmissão,
encaixes de tubulação, flanges, sapatas de freio,
trituradores, rotores de bomba e outras peças resistentes à
abrasão.
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Aplicações do FF branco
✓ Ct = carbono total; Cc = carbono combinado; Cg = carbono
livre
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FF maleável
✓ Produzido por tratamento térmico de FF brancos a
temperaturas entre 700 °C e 1470 °C por um período de
tempo prolongado (10-30 hr), em uma atmosfera neutra
(para evitar a oxidação);
✓ O tratamento promove a decomposição da cementita;
𝐹𝑒3𝐶 → 𝐹𝑒 + 𝐶
✓ Grafita apresenta forma de “roseta” cercada por ferrita ou
perlita (dependendo da taxa de resfriamento).
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Microestrutura do FF maleável
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Grafita
Ferrita
FF maleável ferrítico
Propriedades do FF maleável
✓ Boa ductilidade e usinabilidade;
✓ FFs maleáveis ferríticos são mais dúcteis e menos duros que
perlíticos.
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Propriedades do FF maleável
✓ Conexões para tubulações, sapatas de freios, caixas de
engrenagens, cubos de rodas, bielas, etc.
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FF vermicular
✓ A microestrutura consiste em grafite sob a forma vermicular;
✓ A fase da matriz seja perlita e/ou ferrita dependem do tratamento
térmico;
✓ A microestrutura é intermediária entre ferro cinzento e ferro dúctil
(nodular);
✓ O magnésio e/ou cério também são adicionados em concentrações mais
baixas do que para o ferro dúctil;
✓ As concentrações de Mg/Ce devem ser controladas para produzir uma
microestrutura que consiste em partículas de grafite semelhantes a
“minhocas”, ao mesmo tempo quelimita a nodularização da grafita.
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Microestrutura do FF vermicular
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grafita
α- ferrita
Propriedades do FF vermicular
✓ Alta condutividade térmica;
✓ Melhor resistência ao choque térmico;
✓ Menor oxidação em elevadas temperaturas.
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Aplicações do FF vermicular
✓ Blocos de motor diesel, coletores de escape, caixas de
engrenagens, discos de freios de trens de alta velocidade,
entre outros.
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