Ferro Fundido Cinzento.pptx
- 2. Introdução Como em qualquer liga metálica, existe uma conexão íntima entre todas as características do ferro fundido e a sua estrutura, conexão essa que, no caso particular do ferro fundido cinzento é menor e mais complexa (CHIAVERINI, 1996). A resistência e a ductilidade são muito maiores sobre cargas de compressão, porém os ferros cinzentos são altamente eficientes no amortecimento de energia vibracional, sendo muito indicados e utilizados para aplicações expostas a vibrações, tais como as estruturas de base para máquinas e equipamentos pesados, além de exibir uma alta resistência ao desgaste. Em termos de engenharia, sua capacidade de amortecimento é alta, o que permite a este tipo de metal largas aplicações (VAN VLACK, 1984). O ferro fundido cinzento é um dos materiais de melhor fundibilidade e apresenta uma das mais baixas temperaturas de fusão dentre as ligas ferrosas. Sua contração na passagem líquida para sólido é baixa, favorecendo a obtenção de peças sem defeitos internos. Para a maioria das aplicações pode ser utilizado no estado bruto de solidificação.
- 3. Introdução Esta é, dentre os ferros fundidos, a liga mais usada, devido aos seus característicos de: - fácil fusão e moldagem – boa resistência mecânica – excelente usinabilidade – boa resistência ao desgaste – boa capacidade de amortecimento
- 4. Introdução Os ferros fundidos cinzentos apresentam-se dentro de uma faixa de composição química muito ampla: Cr – 2,5% a 4,00% Si – 1,00% a 3,00% Mn – 0,20% a 1,00% P – 0,02% a 1,00% S – 0,02% a 0,25% É frequente ainda, incluir outros componentes de liga, visando mudar certas características do
- 5. Pode-se prever, com razoável aproximação, as propriedades dos ferros fundidos cinzentos, em função da sua composição química, principalmente teores de carbono grafítico e silício, da espessura das peças e da forma como a grafita se apresenta. White (1998) assume que dentro das classes 20 a 60 (ASTM A 48) as seguintes propriedades aumentam com o aumento do nível da classe: – Todas as resistências mecânicas, incluindo resistência a elevadas temperaturas, – Acabamento superficial após usinagem, – Módulo de Elasticidade – Resistência ao desgaste Por outro lado, as seguintes propriedades decrescem: – Usinabilidade – Resistência a choque térmico, – Capacidade de amortecimento, – Preenchimento de seções finas.
- 6. A morfologia em placas da grafita é a forma de crescimento “natural” nesta classe de materiais. Normas como DIN EN ISO 945 ou a ASTM A 247 (vide tabela 2-16 apresentam abordagem semelhante a este assunto, subdividindo a morfologia a grafita em cinco tipos, conforme tabela abaixo: A técnica de inoculação é utilizada na produção de ferros fundidos cinzentos como forma de controlar o super-resfriamento do eutético, e, portanto o tipo de grafita formada, potencializando a nucleação da grafita evitando o super- resfriamento excessivo, limitando o grau de ramificação da grafita facilitando a formação de grafita tipo A, Walton (1981).
- 7. Correlação entre microestrutura e propriedades As propriedades mecânicas dos ferros fundidos estão condicionadas à estrutura final obtida, isto é, dependem da matriz metálica, da morfologia e quantidade de grafita e ainda do tamanho e distribuição das células eutéticas, que por sua vez são determinadas durante a solidificação pela ação combinada dos efeitos de composição, velocidade de resfriamento, nucleação e da velocidade de crescimento das células eutéticas. Deve-se ressaltar ainda que a resistência da ferrita está relacionada ao tipo e quantidade de elementos de liga, que se encontram em solução sólida neste microconstituinte. Quando a quantidade de grafita presente na microestrutura é maior, ocorre geralmente uma diminuição da resistência dos ferros fundidos cinzentos devido ao efeito de entalhe ainda mais pronunciado, pois os veios de grafita tornam-se mais longos. Além disso, deve-se atentar para o fato de que o próprio aumento da quantidade de grafita presente na microestrutura tem o efeito de diminuir a resistência mecânica, visto que esta fase possui menor resistência mecânica que a matriz metálica.
- 8. Efeitos de alguns elementos de liga
- 9. Dureza: Variações no tamanho e distribuição da grafita podem causar grandes diferenças na medida de durezas, conforme ilustrado na tabela adaptada do ASM Handbook (1998), onde provavelmente a matriz seja de martensita não revenida. Os ferros fundidos cinzentos que possuem regiões coquilhadas, têm elevada dureza, podendo ser utilizada em aplicações onde se necessite elevada resistência ao desgaste, desde que não se tenha solicitação muito crítica ao impacto, por esta razão, Esses materiais, em geral, possuem elementos formadores de carbonetos em sua Composição. Quando os ferros fundidos cinzentos não possuem regiões coquilhadas, Souza Santos (1991) recomenda a utilização de materiais com matrizes de perlita fina, sendo ainda indicado que a grafita seja exclusivamente do tipo A.
- 10. Usinabilidade Os ferros fundidos cinzentos possuem, de modo geral, boa usinabilidade, pois a presença de grafita na microestrutura proporciona, além de uma auto lubrificação, a necessária quebra de cavacos. Em geral, os critérios para avaliação da usinabilidade estão relacionados aos seguintes fatores: 1. Vida útil da ferramenta de corte; 2. Potência necessária a usinagem, e 3. Acabamento superficial e precisão dimensional Apesar do importante papel desempenhado pela morfologia da grafita em relação a usinabilidade, a vida útil das ferramentas depende também da matriz metálica. Assim, matrizes ferríticas obtidas, tanto no estado bruto de fusão, quanto após tratamento térmico de recozimento, possibilitam usinagem fácil, devido a sua dureza relativamente baixa, e da presença de silício. Quando a matriz é perlítica, a velocidade de corte torna-se menor, correspondendo às menores velocidades, as estruturas de menor espaçamento interlamelar, perlita
- 11. Propriedades físicas A densidade (ρ) depende da temperatura e composição, e de um modo geral quanto maior a quantidade de grafita menor a densidade. Condutividade térmica (λ) é influenciada pela quantidade, forma e distribuição da grafita que atua como dissipadora de calor, devido a sua alta condutividade térmica. Resistividade elétrica (ρ) , ou resistência específica, é função da estrutura da grafita, constituintes e composição da matriz e temperatura. Expansão térmica ou coeficiente de dilatação térmica longitudinal (α), a princípio depende da estrutura da matriz da liga, onde matrizes martensítica e ferrítica apresentam coeficientes de expansão linear maiores que matrizes perlíticas.
- 12. Tratamento térmico dos ferros fundidos cinzentos Alívio de tensões ou envelhecimento artificial: Pode-se ainda dizer que esse é o tratamento térmico mais utilizado em ferro fundido cinzento. As peças de ferro fundido, ao resfriar a partir do estado líquido ficam sujeitas a tensões internas devido a diferenças as velocidades de resfriamento em diversas secções e às mudanças estruturais com conseqüente aparecimento de variações de volumes não uniformes. As tensões assim originadas podem causar empenamento das peças ou mesmo fissuras e sua ruptura. Envelhecimento artificial: Consiste no processo de aquecer as peças a uma temperatura geralmente inferior à faixa de transformação da perlita em austenita, durante um tempo determinado. O resfriamento, após aquecimento para alívio de tensões, deve ser conduzido com cuidado, pois um resfriamento rápido pode originar novas tensões internas. Recomenda- se, assim, que as peças sejam resfriadas no forno de aquecimento até a temperatura atingir 290°C, quando, então, podem ser resfriadas ao ar. Com peças de forma complexa, é recomendável que o resfriamento no interior do forno seja feito até a temperatura atingir 90°C.
- 13. Recozimento O objetivo principal do recozimento é melhorar a usinabilidade do ferro fundido cinzento, para o que ele deve ser aquecido à temperatura correspondente à zona crítica para propiciar uma alteração da sua estrutura. A resistência mecânica e a dureza diminuem, ao mesmo tempo que as tensões internas são totalmente aliviadas. A figura a seguir mostra os Ciclos de recozimento recomendados para ferros fundidos cinzentos (curvas B, B1 e C):
- 14. Normalização Esse tratamento é utilizado para melhorar as propriedades mecânicas do ferro fundido: ● resistência à tração e dureza ● ou com o objetivo de restaurar as propriedades do estado bruto de fusão Caso a estrutura tenha sido alterada por outro processo de aquecimento, como, por exemplo, grafitização ou pré aquecimento ou aquecimento posterior associados com soldagem de reparo. A faixa de temperaturas é de 885°C a 925°C, acima, portanto, da zona crítica, devendo o material ser mantido na temperatura escolhida durante cerca de 25 minutos por cm de secção; segue-se resfriamento ao ar tranqüilo. É importante notar que a normalização é um processo de amolecimento para ferros fundidos cinzentos sem elementos de liga e um processo de endurecimento para ferros fundidos
- 15. Têmpera e revenido O objetivo desse tratamento é aumentar a resistência mecânica e a dureza, e, conseqüentemente, a resistência ao desgaste do ferro fundido cinzento. Esta última propriedade pode melhorar cerca de 5 vezes em relação à resistência ao desgaste do ferro fundido cinzento perlítico. O aquecimento pode ser feito em fornos, em banhos de sal ou o endurecimento pode ser obtido por chama ou por indução. Nestes últimos casos – aquecimento por chama ou por indução – o ferro fundido deve conter uma quantidade relativamente grande de carbono combinado, devido ao tempo muito curto disponível para a solução do carbono na austenita. A temperatura de aquecimento situa-se acima da zona crítica de modo que ocorra formação de austenita e o tempo de permanência á temperatura depende da composição do material, sendo o necessário para que haja suficiente solução de carbono.
- 16. Tratamentos isotérmicos A curva TTT demonstra que os ferros fundidos podem ser submetidos a tratamentos isotérmicos como austêmpera e martêmpera: Na austêmpera, a estrutura final é a bainita. O resfriamento é levado a efeito em banho de sal, óleo ou chumbo, mantidos entre 230°C e 425°C. A martêmpera produz uma estrutura martensítica, sem resultar em tensões elevadas como acontece com a têmpera usual; deve-se, contudo, proceder a um revenido posterior. A martêmpera, por outro lado, permite obter uma dureza final maior do que a da austêmpera; essa diferença é, entretanto, eventualmente diminuída, devido ao revenido da martêmpera. De qualquer modo, os tratamentos isotérmicos conferem às peças de ferro fundido cinzento maior tenacidade do que no caso da têmpera e revenido com mesma dureza.
- 17. Endurecimento superficial Finalmente, o ferro fundido cinzento pode ser submetido ao processo de endurecimento superficial, por chama ou por indução. O endurecimento superficial produz uma camada externa martensítica dura e de alta resistência ao desgaste e um núcleo, que no tratamento não atingiu a temperatura de transformação, mais mole. O resfriamento, após a aplicação da chama, depende do método utilizado no processo. Quando o aquecimento da superfície for progressivo, utilizam-se meios de resfriamento não inflamáveis, como água, misturas de óleos solúveis e soluções em água de álcool polivinílico. Quando o aquecimento da superfície for por pontos ou localizado, processos em que a chama é retirada antes do resfriamento, as peças são resfriadas mergulhando-as em óleo.
- 18. As principais aplicações do ferro fundido cinzento são: - classe G 1800 – peças fundidas miscelâneas (no estado fundido ou recozido), onde a resistência mecânica não é um fator primordial. - classe G 2500 – pequenos blocos de cilindro, cabeçotes de cilindro, cilindros resfriados a ar, pistões, discos de embreagem, carcaças de bombas de óleo, caixas de transmissão, caixas de engrenagens, também de freio para serviço leve; também para tambores de freios e discos de embreagem para serviço moderado, onde o alto teor de carbono minimiza o efeito desfavorável do calor; - classe G 3000 – blocos de cilindro de automóveis e motores diesel, cabeçotes de cilindro, volantes, pistões, tambores de freio e caixas de transmissão de tratores para serviço médico; - classe G 3500 – blocos de motores diesel, blocos e cabeças de cilindro de caminhões e tratores, volantes pesados, caixas de transmissão de tratores, caixas de engrenagens pesadas; também para tambores de freio e discos de embreagem para serviço pesado, onde se exige alta resistência mecânica e à fadiga térmica; - classe G 4000 – peças fundidas para motores diesel, camisas de cilindro, cilindros, pistões e eixos de comando