Já alguma vez se interrogou sobre o fascinante mundo do ferro fundido? Nesta publicação do blogue, vamos mergulhar nos vários tipos de ferro fundido e explorar as suas propriedades e aplicações únicas. Como engenheiro mecânico experiente, partilharei as minhas ideias e conhecimentos para o ajudar a compreender as complexidades deste material versátil. No final deste artigo, terá uma melhor compreensão das diferentes classificações e designações do ferro fundido e da forma como são utilizadas em várias indústrias.
O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono que varia entre 2,5% e 4%, excedendo normalmente 2,11%. É composto por vários componentes, incluindo ferro, carbono e silício, e pode também conter impurezas como manganês, enxofre e fósforo, que são mais prevalecentes do que no aço-carbono.
Os tipos de ferro fundido são classificados principalmente com base na forma do carbono e na morfologia da grafite presente. Os principais tipos de ferro fundido são os seguintes
Ferro fundido branco: O carbono existe sob a forma de cementite (Fe3C), e a superfície de fratura é branca prateada. É frágil e raramente é utilizado isoladamente. O ferro fundido branco é um produto intermédio para o fabrico de ferro fundido maleável, e o ferro fundido frio com uma camada superficial de ferro fundido branco é normalmente utilizado em rolos.
Ferro fundido cinzento: Todo ou a maior parte do carbono existe sob a forma de grafite, que é escamosa. Este tipo de ferro tem diferentes aplicações consoante a forma da grafite, tais como o ferro fundido cinzento comum (grafite escamosa) e o ferro fundido vermicular (grafite em forma de verme).
Ferro fundido maleável: A grafite existe numa forma floculenta, obtida através do recozimento do ferro fundido branco de uma determinada composição a altas temperaturas durante um longo período de tempo. As suas propriedades mecânicas, nomeadamente a tenacidade e a plasticidade, são superiores às do ferro fundido cinzento.
Ferro fundido dúctil: A grafite existe numa forma esférica, obtida por tratamento de esferoidização antes do vazamento do ferro fundido. Este tipo de ferro não só tem propriedades mecânicas mais elevadas do que o ferro fundido cinzento e o ferro fundido maleável, como o seu processo de fabrico é mais simples do que o do ferro fundido maleável. Além disso, as suas propriedades mecânicas podem ser melhoradas através de tratamento térmico.
Ferro fundido vermicular: A grafite existe numa forma semelhante a um verme e tem boas propriedades mecânicas e de processamento.
Liga de ferro fundido: Para melhorar as propriedades mecânicas ou físicas e químicas do ferro fundido, pode ser adicionada uma certa quantidade de elementos de liga para obter ferro fundido ligado. Este tipo de ferro inclui uma variedade de ligas de ferro fundido especiais resistentes à corrosão, ao calor e ao desgaste.
De acordo com as diferentes formas de carbono no ferro fundido, o ferro fundido pode ser dividido em:
1. Ferro fundido branco
No ferro fundido, o carbono existe principalmente como cementita, com apenas uma pequena quantidade dissolvida na ferrite.
A sua fratura tem um aspeto branco-prateado, pelo que é conhecido como ferro fundido branco.
Atualmente, o ferro fundido branco é utilizado principalmente como matéria-prima no fabrico de aço e como base para a produção de ferro fundido maleável.
2. Ferro fundido cinzento
No ferro fundido, a maior parte ou a totalidade do carbono existe sob a forma de grafite em flocos e a sua fratura apresenta uma cor cinzenta escura. Como resultado, é referido como ferro fundido cinzento.
3. Mferro fundido ottled
No ferro fundido, parte do carbono existe sob a forma de grafite, tal como ferro fundido cinzentoenquanto a outra parte existe como cementita livre, semelhante ao ferro fundido branco.
Isto faz com que a superfície da fratura apresente manchas pretas e brancas, o que lhe valeu o nome de "ferro fundido mosqueado".
Infelizmente, este tipo de ferro fundido é também duro e quebradiço, o que faz com que seja raramente utilizado em aplicações industriais.
De acordo com as diferentes formas de grafite no ferro fundido, o ferro fundido pode ser dividido em:
No ferro fundido cinzento, o carbono existe sob a forma de grafite em flocos.
O ferro fundido maleável é obtido por recozimento ferro fundido branco de uma composição específica a altas temperaturas durante um período prolongado. Como resultado, o carbono no ferro fundido maleável existe numa forma floculenta.
Este tipo de ferro fundido apresenta propriedades mecânicas melhoradas, nomeadamente em termos de tenacidade e plasticidade, em comparação com o ferro fundido cinzento, daí a sua designação "ferro fundido maleável".
No ferro fundido, o carbono existe sob a forma de grafite esférica.
Isto é conseguido através de um tratamento de esferoidização antes da processo de fundição.
Este tipo de ferro fundido apresenta propriedades mecânicas superiores às do ferro fundido cinzento e do ferro fundido maleável. Além disso, o seu processo de produção é mais simples do que o do ferro fundido maleável e as suas propriedades mecânicas podem ser melhoradas através de tratamento térmico. Como resultado, a sua utilização na produção está a tornar-se cada vez mais generalizada.
O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono que contém mais de 2,1% de carbono.
É produzido através da refusão de ferro-gusa fundido (um componente do ferro-gusa para a produção de aço) num forno, ajustando a sua composição através da adição de ligas de ferro, sucata de aço e ferro reciclado.
A principal diferença entre o ferro fundido e o ferro-gusa é que o ferro fundido é submetido a uma etapa de processamento secundário e a maior parte é fundida em peças fundidas de ferro.
Peças fundidas em ferro possuem excelentes propriedades de fundição e podem ser moldados em formas complexas. Também têm boa maquinabilidade e são conhecidos pela sua resistência ao desgaste e absorção de choques, bem como pelo seu baixo custo.
Os códigos do ferro fundido são compostos pela primeira letra do alfabeto chinês, indicando as suas características específicas.
Quando dois nomes de ferro fundido têm a mesma letra de código, podem ser diferenciados acrescentando letras minúsculas a seguir à letra maiúscula.
Para o ferro fundido com o mesmo nome que requer uma classificação mais pormenorizada, a primeira letra do Pinyin chinês que representa as características da subclasse é acrescentada no final.
Descrição do nome, código e marca do ferro fundido:
| Nome do ferro fundido | Código /Grau | Exemplo de método de representação |
| Ferro fundido cinzento | HT | HT100 |
| Ferro fundido de grafite vermicular | RuT | RuT400 |
| Ferro fundido nodular | QT | QT400-17 |
| Coração negro em ferro fundido maleável | KHT | KHT300-06 |
| Coração branco em ferro fundido maleável | KBT | KBT350-04 |
| Ferro fundido maleável perlítico | KZT | KZT450-06 |
| Ferro fundido resistente ao desgaste | MT | MT Cu1PTi-150 |
| Ferro fundido branco resistente ao desgaste | KmBT | KmBTMn5Mo2Cu |
| Ferro fundido dúctil resistente ao desgaste | KmQT | KmQTMn6 |
| Ferro fundido refrigerado | LT | LTCrMoR |
| Ferro fundido resistente à corrosão | ST | STSi15R |
| Ferro fundido dúctil resistente à corrosão | SQT | SQTAl15Si5 |
| Ferro fundido resistente ao calor | RT | RTCr2 |
| Ferro fundido dúctil resistente ao calor | RQT | RQTA16 |
| Ferro fundido austenítico | AT | —- |
Nota: Uma série de números a seguir ao código no grau indica o valor da resistência à tração.
Nos casos em que existem dois conjuntos de números, o primeiro conjunto representa o valor da resistência à tração e o segundo conjunto representa o valor do alongamento.
Estes dois conjuntos de números estão separados por um "um".
Elementos de liga são representados utilizando símbolos internacionais de elementos. Se o conteúdo for igual ou superior a 1%, é representado como um número inteiro. Se o conteúdo for inferior a 1%, normalmente não é indicado.
Elementos comuns como C, Si, Mn, S e P não são normalmente marcados. Os seus símbolos de elemento e conteúdo só são marcados se tiverem um objetivo específico.
No ferro fundido branco, todo o carbono existe na forma de carbono permeável (Fe3C), resultando numa superfície de fratura branca e brilhante.
Por este motivo, é designado por ferro fundido branco.
No entanto, devido à elevada concentração de Fe3C duro e quebradiço, o ferro fundido branco tem um elevado nível de dureza, mas é também altamente quebradiço e difícil de processar.
Por conseguinte, não é habitualmente utilizado diretamente em aplicações industriais, exceto em algumas aplicações que requerem resistência ao desgaste sem impacto, tais como matrizes de trefilagem e esferas de ferro para moinhos de bolas.
Em vez disso, é utilizado principalmente como matéria-prima para a produção de aço e de ferro fundido maleável.
No ferro fundido, a maior parte ou todo o carbono existe como grafite em forma de folha num estado livre, resultando numa superfície de fratura cinzenta.
O ferro fundido cinzento tem boas propriedades de fundição, é fácil de maquinar, tem boa resistência ao desgaste, processos simples de fusão e dosagem, e um baixo custo, o que o torna amplamente utilizado para a produção de peças fundidas com estruturas complexas e peças resistentes ao desgaste.
O ferro fundido cinzento pode ser dividido em ferro fundido cinzento à base de ferrite, ferro fundido cinzento à base de perlite-ferrite e ferro fundido cinzento à base de perlite com base na sua estrutura matricial.
Devido à presença de grafite em forma de flocos, o ferro fundido cinzento tem baixa densidade, resistência, dureza, plasticidade e tenacidade nulas.
A existência desta grafite é semelhante à presença de muitos pequenos entalhes no substrato de aço, o que reduz a área de suporte e aumenta o número de fissuras, resultando em baixa resistência e fraca tenacidade no ferro fundido cinzento, tornando-o inadequado para o processamento sob pressão.
Para melhorar as suas propriedades, certos inoculantes, como o ferrosilício e o silicato de cálcio, são adicionados ao ferro fundido antes da fundição para refinar a matriz de perlite.
O ferro maleável é fabricado a partir de uma base de ferro fundido branco que é fundido a partir de uma liga de ferro-carbono com baixo teor de carbono e silício. Após ter sido submetido a um longo período de alta temperatura recozimentoA cementita decompõe-se em aglomerados de grafite floculenta, resultando num tipo de ferro fundido branco grafitado.
O ferro fundido maleável pode ser dividido em dois tipos com base na sua microestrutura após tratamento térmico: ferro maleável de núcleo negro e ferro maleável perolado. A estrutura do ferro fundido maleável de núcleo negro é principalmente uma base de ferrite (F) com grafite floculante, enquanto a estrutura do ferro fundido maleável perlítico é principalmente uma matriz perlítica (P) com grafite floculante.
O terceiro tipo é o ferro fundido maleável de núcleo branco, que tem uma estrutura que depende do tamanho da secção. Para secções pequenas, a matriz é ferrite, enquanto que para secções maiores, a área de superfície é ferrite, sendo o centro perlite e carbono recozido.
O ferro fundido de inoculação é produzido quando a grafite se torna fina e uniformemente distribuída após o tratamento de inoculação.
Antes de verter o ferro fundido (ferro gusa nodular), é adicionado um agente esferoidizante, normalmente feito de ferro-silício ou magnésio, para esferoidizar a grafite no ferro fundido. A adição do agente esferoidizante melhora consideravelmente a resistência à tração, limite de elasticidadeA plasticidade e a resistência ao impacto do ferro fundido nodular. Isto deve-se ao facto de o carbono (grafite) na matriz do ferro fundido existir numa forma esférica, melhorando o seu efeito de divisão na matriz.
O ferro fundido nodular tem várias vantagens, incluindo a resistência ao desgaste, a absorção de choques, o bom desempenho do processo e o baixo custo. Estas vantagens levaram à sua utilização generalizada na substituição do ferro fundido maleável, bem como de algumas peças em aço fundido e aço forjado, tais como cambotas, bielas, rolos e eixos traseiros de automóveis.
Os elementos de liga comuns no ferro fundido incluem o silício, o manganês, o fósforo, o níquel, o crómio, o molibdénio, o cobre, o alumínio, o boro, o vanádio, o titânio, o antimónio e o estanho. Estes elementos melhoram o desempenho do ferro fundido através de vários mecanismos:
Além disso, a inclusão de elementos de liga pode alterar a estrutura interna do ferro fundido, levando a novas mudanças de fase, melhorando assim o seu desempenho no processo, como a termoplasticidade, a deformabilidade a frio, a maquinabilidade, a temperabilidade e a soldabilidade. Por exemplo, o silício e o carbono em conjunto promovem a grafitização, melhorando a compacidade e a tenacidade das peças fundidas, reduzindo a tendência para a boca branca, estabilizando a austenite e refinando a grafite e a perlite.
Ao melhorar as propriedades mecânicas, a resistência ao desgaste, a resistência à oxidação e a resistência à corrosão do ferro fundido, os elementos de liga melhoram o desempenho global do ferro fundido ligado.
O ferro fundido branco, assim designado devido à sua superfície de fratura branco-prateada, é um tipo de ferro fundido que não precipita grafite durante o processo de cristalização. Este tipo de ferro fundido tem uma elevada quantidade de cementite livre na sua estrutura, resultando numa elevada dureza (geralmente acima de HB500), mas é também muito frágil. Devido à sua elevada dureza e resistência ao desgaste, juntamente com o seu baixo custo, o ferro fundido branco é uma escolha viável para aplicações resistentes ao desgaste, apesar de ser considerado demasiado frágil para muitos componentes estruturais.
Os principais domínios de aplicação do ferro fundido branco incluem peças resistentes ao desgaste, tais como ferramentas agrícolas, esferas de moagem, peças para moinhos de carvão, lâminas para máquinas de granalhagem, peças para bombas de polpa, tubos de areia para fundição e a camada exterior de rolos de laminagem a frio. Para além disso, é utilizado como matéria-prima para a produção de aço e como peça bruta para a produção de ferro fundido maleável. Especificamente, o ferro fundido branco com tungsténio e manganês e o ferro fundido branco com crómio e tungsténio são utilizados para peças que requerem maquinação mecânica e condições com grandes cargas de impacto, desgaste abrasivo de baixa tensão e desgaste abrasivo de moagem de alta tensão, respetivamente.
Em termos de características de desempenho, o ferro fundido branco é duro e quebradiço, não é fácil de maquinar e raramente é utilizado diretamente para peças de fundição. O seu carbono existe inteiramente sob a forma de cementite (Fe3C), o que faz com que tenha propriedades mecânicas mais elevadas do que o ferro fundido cinzento e o ferro fundido maleável, e o seu processo de produção é relativamente simples. No entanto, devido à sua fragilidade, o ferro fundido branco não suporta o trabalho a frio ou a quente e só pode ser utilizado diretamente no estado fundido.
O ferro fundido branco, com a sua elevada dureza e resistência ao desgaste, desempenha um papel importante em cenários de aplicação específicos, embora a sua fragilidade limite a sua aplicação numa gama mais vasta.
As diferenças específicas nas propriedades mecânicas entre o ferro cinzento e o ferro maleável reflectem-se principalmente nos seguintes aspectos:
Morfologia da grafite: A grafite do ferro cinzento tem a forma de flocos, enquanto a grafite do ferro maleável tem a forma de vermes. Esta diferença na morfologia da grafite leva a diferenças nas suas propriedades mecânicas. A grafite em flocos confere ao ferro cinzento um certo grau de fragilidade, ao passo que a grafite em forma de verme ajuda a melhorar a tenacidade do material.
Propriedades mecânicas: Devido à diferença na morfologia da grafite, as propriedades mecânicas do ferro maleável são geralmente superiores às do ferro cinzento. As propriedades mecânicas do ferro maleável situam-se entre o ferro fundido dúctil e o ferro cinzento, o que significa que é mais forte do que o ferro cinzento, mas não tão forte como o ferro fundido dúctil.
Desempenho de fundição: O desempenho de fundição do ferro maleável situa-se entre o ferro cinzento e o ferro dúctil. Isto indica que o ferro maleável tem uma boa adaptabilidade e flexibilidade no processo de fundição, capaz de satisfazer as exigências de diferentes cenários de aplicação.
Sensibilidade à composição química: Em comparação com o ferro cinzento, o ferro maleável tem um impacto menor nas propriedades mecânicas quando o teor de carbono e silício muda de hipoeutéctico para eutéctico. Isto implica que o ferro maleável tem maior flexibilidade no ajuste da sua composição química para otimizar o seu desempenho.
Capacidade de tratamento térmico: O ferro maleável pode ser submetido a vários tratamentos térmicos, incluindo a têmpera isotérmica, o que oferece a possibilidade de melhorar ainda mais as suas propriedades mecânicas através do tratamento térmico.
A influência do processo de recozimento nas propriedades mecânicas do ferro fundido maleável pode ser quantificada das seguintes formas:
Melhoria da resistência e da plasticidade: Através do tratamento de recozimento por grafitização, o ferro fundido maleável pode atingir uma maior resistência, plasticidade e tenacidade ao impacto, permitindo-lhe substituir o aço-carbono até certo ponto. Comparado com o ferro fundido cinzento, o ferro fundido maleável tem melhor resistência e plasticidade, especialmente o seu desempenho de impacto a baixas temperaturas.
Melhoria da resistência ao desgaste e do amortecimento das vibrações: A resistência ao desgaste e o amortecimento das vibrações do ferro fundido maleável ultrapassam o aço-carbono comum, em resultado da sua microestrutura e composição química específicas. A otimização durante o processo de recozimento pode melhorar ainda mais estas propriedades.
Encurtamento dos ciclos de produção e redução do consumo de energia: As melhorias no processo de recozimento, tais como o ajuste do teor de carbono e silício e a adição de elementos como o bismuto, o boro e o alumínio para o tratamento de modificação, podem não só encurtar o ciclo de recozimento como também aumentar as taxas de qualificação dos produtos sem sacrificar o desempenho mecânico. Além disso, a investigação sobre processos de recozimento rápido indicou que a otimização das condições de recozimento pode reduzir eficazmente o consumo de energia e a poluição ambiental.
Aumento do grau de grafitização: Durante o processo de recozimento, a cementita eutéctica do ferro fundido branco sofre grafitização, um processo crucial para aumentar a tenacidade e a plasticidade do ferro fundido maleável. A otimização do processo de recozimento da grafitização ajuda a melhorar as propriedades mecânicas da peça fundida.
Elevação da tenacidade à fratura: O processo de tratamento de pré-aquecimento e a sua microestrutura têm um efeito significativo na resistência à fratura do ferro fundido maleável. Optimizando o tempo de recozimento e outros parâmetros relevantes do processo, a resistência à fratura do ferro fundido maleável pode ser efetivamente melhorada, o que é crucial para aumentar a sua vida útil e fiabilidade.
O processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil inclui principalmente a esferoidização e a inoculação, através das quais se obtém grafite esférica. Este método de tratamento reduz eficazmente o efeito de fratura da grafite na matriz, melhorando significativamente as propriedades mecânicas do ferro fundido, incluindo a plasticidade, a tenacidade e a resistência. Especificamente, o tratamento de esferoidização permite que a grafite exista numa forma esférica dentro do ferro fundido. Esta estrutura, comparada com a grafite tradicional escamosa ou floculenta, é mais propícia à redução da concentração de tensões no material, melhorando o desempenho geral.
O papel específico do tratamento de esferoidização consiste em melhorar a microestrutura do ferro fundido, conduzindo a uma distribuição mais uniforme da grafite e reduzindo o risco de fissuras e fracturas causadas pela concentração de tensões durante a utilização. Além disso, a presença de grafite esférica melhora a resistência ao desgaste e o amortecimento de vibrações do ferro fundido, o que é especialmente importante para aplicações que têm de suportar cargas elevadas e condições de tensão complexas. Por exemplo, em peças como cambotas de máquinas eléctricas, o ferro fundido dúctil é amplamente utilizado devido às suas excelentes propriedades abrangentes.
O processo de tratamento de esferoidização do ferro fundido dúctil, ao alterar a forma da grafite, não só aumenta a plasticidade, a tenacidade e a resistência do ferro fundido, como também ajuda a melhorar a sua resistência ao desgaste e o amortecimento das vibrações, melhorando assim o desempenho mecânico até certo ponto. Estas melhorias fazem do ferro dúctil um material com elevada resistência, boa tenacidade e plasticidade. O seu desempenho global é próximo do aço, tornando-o adequado para várias aplicações de engenharia que requerem tensões complexas, elevada resistência e boa tenacidade.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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