Ferro Fundido Cinzento, Nodular e Vermicular Breno Thomé Guilherme Guedes Moreno Prof. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR Processamento e Manufatura de Metais I

O que são Ferros Fundidos Composição Química dos FoFo’s Sumário O que são Ferros Fundidos Composição Química dos FoFo’s Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Nodular Ferro Fundido Vermicular

Na Europa o Ferro Fundido foi introduzido entre os séculos XIII e XV Ferros Fundidos Primeiro registro do uso de Ferro Fundidos Leão Chinês 500 a.C Na Europa o Ferro Fundido foi introduzido entre os séculos XIII e XV

Ferros Fundidos Foi usado na construção da Ponte de Coalbrookdale, Inglaterra (1779)  Primeira ponte de FoFo Primeiro registro na Europa  Tubulações de Esgoto de Versailles, França (1681) Nova Iorque Londres Philadelphia

Ferros Fundidos São ligas a base de Ferro com composição química próxima ao eutético do diagrama ferro-carbono. ~ 4-5 % C.

Cementita Grafita Dissolvido nas Fases Ferros Fundidos Para elevados teores de Carbono  Não há a Formação de Austenita Como o Carbono está presente nos FoFo’s? Cementita Grafita Dissolvido nas Fases

A forma do C na estrutura afeta as propriedades dos FoFo’s Ferros Fundidos A forma do C na estrutura afeta as propriedades dos FoFo’s De acordo com este parâmetros que os FoFo’s são classificados: Ferro Fundido Branco Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Coquilhado Ferro Fundido Nodular Ferro Fundido Maleável Ferro Fundido Vermicular

Importância da Composição Química dos FoFo’s ? Composição Química dos Ferros Fundidos Importância da Composição Química dos FoFo’s ? A presença de certos elementos podem mudar a forma como o C se deposita  Alterando assim as propriedades dos FoFo’s Silício Manganês Enxofre Fósforo Principais Elementos Adicionados

Em produtos industriais o teor de C está por volta de 2 a 4% Efeito do Carbono nos Ferros Fundidos Em produtos industriais o teor de C está por volta de 2 a 4% Os FoFo’s podem ser classificados em Hipoeutéticos  Teor de Carbono < 4,3% Hipereutéticos  Teor de Carbono > 4,3% A presença de outros elementos altera as características do carbono na estrutura 𝐶𝐸=%𝐶+ 1 3 % 𝑆𝑖+% 𝑃

Para baixos teores de C  Há a formação do FoFo do tipo Branco Efeito do Carbono nos Ferros Fundidos Para baixos teores de C  Há a formação do FoFo do tipo Branco Formação de Grafita  Característica dos FoFo’s grafíticos (cinzento) % C

Si  É o elemento mais importante depois do C Efeito do Silício nos Ferros Fundidos Si  É o elemento mais importante depois do C Reduz a estabilidade da cementita, favorecendo a sua decomposição em ferrita e grafita. Piora as propriedades mecânicas dos FoFo’s  Seu uso deve ser limitado

Efeito da Composição de C e Si na estrutura dos FoFo’s Efeito do Silício nos Ferros Fundidos Efeito da Composição de C e Si na estrutura dos FoFo’s

Manganês dificulta a decomposição da cementita Efeito do Manganês nos Ferros Fundidos Manganês dificulta a decomposição da cementita Em teores elevados pode anular o efeito do silício Principal função  Neutralizar a ação do enxofre, formando MnS

%S nos FoFo’s pode ser maior do que nos aços Efeito do Enxofre nos Ferros Fundidos %S nos FoFo’s pode ser maior do que nos aços É importante na morfologia da grafita formada Para controle de qualidades  %S deve ser controlado

Baixos %P  Funciona como Grafitizante Efeito do Fósforo nos Ferros Fundidos Baixos %P  Funciona como Grafitizante Altos %P  Estabiliza a cementita Aumenta a fluidez do metal líquido Forma com o Fe um fosfeto (Fe3P)  Elevada dureza

Potencial Grafitizante Positivo Elementos e Seu Potencial Grafitizante Potencial Grafitizante Positivo Carbono Estanho Fósforo Silício Alumínio Cobre Níquel Potencial Grafitizante

Potencial Grafitizante Negativo* Elementos e Seu Potencial Grafitizante Potencial Grafitizante Negativo* Manganês Cromo Molibdênio Vanádio Maior tendência a carbonetos * Favorecem a formação de carbonetos

Ferro Fundido Cinzento

Ferro Fundido Cinzento Teor de Carbono 2,5%p-4,0%p Teor de Silício 1,0%p-3,0%p Superfície de fratura acinzentada Grafita na forma de flocos

Ferro Fundido Cinzento (Matriz Ferrítica) Ferrita Grafita

Ferro Fundido Cinzento (Matriz Perlítica) Ferrita Perlita Grafita

Baixa resistência e frágil em tração; Ferro Fundido Cinzento (Propriedades) Baixa resistência e frágil em tração; A resistência e a ductilidade são muito maiores sob cargas de compressão; Eficientes no amortecimento de energia vibracional; Elevada resistência ao desgaste; No seu estado fundido, eles têm alta fluidez na temperatura de fundição, o que permite a fundição de peças com formas complexas; A contração do fundido é baixa; Estão entre os materiais metálicos mais baratos.

Ferro Fundido Cinzento Comparação entre as capacidades relativas de amortecimento às vibrações (a) do aço e (b) do ferro fundido cinzento.

Ferro Fundido Cinzento Faixas de composição para os ferros fundidos comerciais, a partir do diagrama de fases ferro-carbono.

PISTÕES CABEÇOTES DE CILINDRO VÁLVULAS Ferro Fundido Cinzento (Aplicações) PISTÕES CABEÇOTES DE CILINDRO VÁLVULAS

Ferro Fundido Nodular Ferro Fundido Nodular

Para obtenção desta estruturas devem ser utilizados: Ferro Fundido Nodular Ocorre a inoculação do metal líquido  Favorecendo a forma da grafita em nódulos Para obtenção desta estruturas devem ser utilizados: Magnésio Cério Durante a solidificação a grafita é envolvida por austenita

Elementos que promovem a formação da perlita Ferro Fundido Nodular de Matriz Ferrítica Antigamente era obtido por tratamento térmico Hoje é obtido através do controle de: Teor de Cobre Teor de Manganês Teor de Estanho Elementos que promovem a formação da perlita Caso ocorra a formação de carbonetos ou perlita na fundição  o tratamento térmico será necessário

Ferro Fundido Nodular de Matriz Ferrítica Nódulo de Grafita Ferrita Perlita

Matriz predominante é composta de perlita Ferro Fundido Nodular de Matriz Perlítica Matriz predominante é composta de perlita Quando se atinge eutetoíde metaestável (com cementita)  As condições favorecem a formação da perlita.

Ferro Fundido Nodular de Matriz Perlítica Nódulo de Grafita Ferrita Perlita Silício fica junto aos nódulos de grafita. Ferrita é criada próxima aos nódulos

Estrutura obtida através da austempêra Estrutura obtida: Ferro Fundido Nodular Austemperado Estrutura obtida através da austempêra Estrutura obtida: Nódulo de Grafita Ferrita Bainítica Austenita Retida

Tenacidade superior aos FoFo’s brancos e cinzentos Propriedades Ferro Fundido Nodular Elevada ductilidade Tenacidade superior aos FoFo’s brancos e cinzentos Maior limite de escoamento Maior resistência ao impacto Boa resistência a fadiga

Processo de Obtenção – Ferro Fundido Nodular Ferro Gusa de Alta Pureza Sucata de Aço Retorno de Fundição (FeSi/SiC) Fusão Ajuste da Composição Nodularização Adição de Inoculante Vazamento e Desmoldagem Inoculação

VIRABREQUINS ENGRENAGENS DUTOS DE ÁGUA E ESGOTO SETOR PETROQUÍMICO Aplicações do Ferro Fundido Nodular VIRABREQUINS ENGRENAGENS DUTOS DE ÁGUA E ESGOTO SETOR PETROQUÍMICO VEÍCULOS MILITARES SETOR AEROESPACIAL

Ferro Fundido Vermicular

Compacted Graphite Iron Ferro Fundido Vermicular CGI Compacted Graphite Iron Teor de Carbono 3,1%p-4,0%p Teor de Silício 1,7%p-3,0%p Adição de Magnésio e/ou Cério Grafita na forma de vermes

Grafita na forma de vermes Ferro Fundido Vermicular Microestrutura intermediária entre as do ferro cinzento e ferro nodular. Grafita na forma de vermes Ferrita Nódulos de Grafita

Uma parte da grafita (menos de 20%) pode estar na forma de nódulos; Ferro Fundido Vermicular Uma parte da grafita (menos de 20%) pode estar na forma de nódulos; As arestas vivas (características dos flocos de grafita) devem ser evitadas; A presença dessa característica leva a uma redução na resistência à fratura e na resistência à fadiga do material.

As composições de magnésio, cério e outros aditivos devem Ferro Fundido Vermicular As concentrações de Magnésio e/ou Cério são mais baixas que no ferro nodular; As composições de magnésio, cério e outros aditivos devem ser controladas para produzir uma microestrutura que consista em partículas de grafita e se previne a formação de flocos de grafita.

Ferro Fundido Vermicular Dependendo do tratamento térmico, a fase matriz será perlita e/ou ferrita; As propriedades mecânicas dos CGIs estão relacionadas à microestrutura; Um aumento no grau de modularidade das partículas de grafita leva a melhorias, tanto na resistência quanto na ductilidade.

Ferro Fundido Vermicular (Propriedades) Os CGIs com matrizes ferríticas apresentam menores resistências e maiores ductilidades que aqueles com matrizes perlíticas; Os limites de resistência à tração e de escoamento para os ferros fundidos vermiculares são comparáveis aos valores dos ferros nodulares e maleáveis, e são maiores que aqueles observados para os ferros cinzentos de maior resistência.

Ferro Fundido Vermicular (Propriedades) As ductilidades dos CGIs são intermediárias entre os valores para os ferros cinzento e nodular; além disso, os módulos de elasticidade variam entre 140 GPa e 165 GPa;

Maior condutividade térmica; Ferro Fundido Vermicular (Propriedades) Em comparação aos outros tipos de ferro fundido, as características desejáveis dos CGIs incluem o seguinte: Maior condutividade térmica; Melhor resistência a choques térmicos (isto é, a fratura que resulta de mudanças rápidas na temperatura); Menor oxidação em temperaturas elevadas.

DISCOS DE FREIO PARA TRENS DE ALTA VELOCIDADE BLOCOS DE MOTORES DIESEL Ferro Fundido Vermicular (Aplicações) DISCOS DE FREIO PARA TRENS DE ALTA VELOCIDADE BLOCOS DE MOTORES DIESEL DISTRIBUIDORES DE EXAUSTÃO

Ferro Fundido Cinzento, Nodular e Vermicular

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