Tipos de ferro fundido: classificação, grau e aplicação

O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono que varia de 2,5% a 4%, geralmente superior a 2,11%. Ele é composto de vários componentes, incluindo ferro, carbono e silício, e também pode conter impurezas como manganês, enxofre e fósforo, que são mais prevalentes do que no aço carbono.

Os tipos de ferro fundido são classificados principalmente com base na forma de carbono e na morfologia do grafite presente. Veja a seguir os principais tipos de ferro fundido:

Ferro fundido branco: O carbono existe na forma de cementita (Fe3C), e a superfície da fratura é branca prateada. Ele é frágil e raramente é usado sozinho. O ferro fundido branco é um produto intermediário para a fabricação de ferro fundido maleável, e o ferro fundido frio com uma camada superficial de ferro fundido branco é comumente usado em rolos.

Ferro fundido cinza: Todo ou a maior parte do carbono existe na forma de grafite, que é escamoso. Esse tipo de ferro tem diferentes aplicações, dependendo do formato do grafite, como o ferro fundido cinzento comum (grafite escamoso) e o ferro fundido vermicular (grafite em forma de verme).

Ferro fundido maleável: O grafite existe em uma forma floculenta, obtida pelo recozimento do ferro fundido branco de uma determinada composição em altas temperaturas por um longo período. Suas propriedades mecânicas, especialmente a tenacidade e a plasticidade, são superiores às do ferro fundido cinzento.

Ferro fundido dúctil: O grafite existe em uma forma esférica, obtida pelo tratamento de esferoidização antes do vazamento do ferro fundido. Esse tipo de ferro não só tem propriedades mecânicas mais altas do que o ferro fundido cinzento e o ferro fundido maleável, mas seu processo de fabricação é mais simples do que o do ferro fundido maleável. Além disso, suas propriedades mecânicas podem ser melhoradas por meio de tratamento térmico.

Ferro fundido vermicular: O grafite existe em uma 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, é possível adicionar uma certa quantidade de elementos de liga para obter ferro fundido com liga. Esse tipo de ferro inclui uma variedade de ligas de ferro fundido especiais resistentes à corrosão, ao calor e ao desgaste.

Tipos de ferro fundido

De acordo com as diferentes formas de carbono

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 ferrita.

Sua fratura tem uma aparência branco-prateada, por isso é conhecida como ferro fundido branco.

Atualmente, o ferro fundido branco é utilizado principalmente como matéria-prima na fabricação de aço e como base para a produção de ferro fundido maleável.

2. Ferro fundido cinza

No ferro fundido, a maior parte ou todo o carbono existe na forma de grafite em flocos, e sua fratura apresenta uma cor cinza escura. Como resultado, ele é chamado de ferro fundido cinzento.

3. Mferro fundido ottled

No ferro fundido, parte do carbono existe na forma de grafite, assim como ferro fundido cinzentoenquanto a outra parte existe como cementita livre, semelhante ao ferro fundido branco.

Isso faz com que a superfície da fratura apresente pontos pretos e brancos, o que lhe confere o nome de "ferro fundido mosqueado".

Infelizmente, esse tipo de ferro fundido também é duro e quebradiço, o que o torna raramente usado em aplicações industriais.

De acordo com as diferentes formas de grafite

De acordo com as diferentes formas de grafite no ferro fundido, o ferro fundido pode ser dividido em:

1. Ferro fundido cinza

No ferro fundido cinzento, o carbono existe como grafite em forma de flocos.

2. Ferro fundido maleável

O ferro fundido maleável é obtido por recozimento ferro fundido branco de uma composição específica em altas temperaturas por um período prolongado. Como resultado, o carbono no ferro fundido maleável existe em uma forma floculenta.

Esse tipo de ferro fundido apresenta propriedades mecânicas aprimoradas, especialmente em termos de resistência e plasticidade, em comparação com o ferro fundido cinzento, daí o nome "ferro fundido maleável".

3. Ferro dúctil

No ferro fundido, o carbono existe na forma de grafite esférico.

Isso é obtido por meio de um tratamento de esferoidização antes da processo de fundição.

Esse tipo de ferro fundido apresenta propriedades mecânicas superiores às do ferro fundido cinzento e do ferro fundido maleável. Além disso, seu processo de produção é mais simples do que o do ferro fundido maleável, e suas propriedades mecânicas podem ser melhoradas por meio de tratamento térmico. Como resultado, seu uso na produção está se tornando cada vez mais difundido.

Classificação e designação de ferro fundido

O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono que contém mais de 2,1% de carbono.

É produzido pela refusão de ferro-gusa fundido (um componente do ferro-gusa para fabricação de aço) em um forno e pelo ajuste de sua composição com a 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 passa por uma etapa de processamento secundário, e a maior parte dele é fundida em peças fundidas de ferro.

Fundição de ferro possuem excelentes propriedades de fundição e podem ser moldados em formas complexas. Eles também têm boa usinabilidade e são conhecidos por sua resistência ao desgaste e à absorção de choques, além de seu baixo custo.

Designação do ferro fundido: (de acordo com GB5612-85)

Os códigos de ferro fundido são compostos pela primeira letra do alfabeto chinês, indicando suas características específicas.

Quando dois nomes de ferro fundido têm a mesma letra de código, eles podem ser diferenciados pela adição de letras minúsculas após a letra maiúscula.

Para ferro fundido com o mesmo nome que requer classificação adicional, a primeira letra do Pinyin chinês que representa as características de sua subclasse é adicionada ao final.

Descrição do nome, código e marca do ferro fundido:

Observação: uma série de números após o código da classe indica o valor da resistência à tração.

Nos casos em que há dois conjuntos de números, o primeiro conjunto representa o valor da resistência à tração e o segundo conjunto representa o valor do alongamento.

Esses dois conjuntos de números são separados por um "um".

Elementos de liga são representados usando símbolos de elementos internacionais. Se o conteúdo for igual ou superior a 1%, ele será representado como um número inteiro. Se o conteúdo for menor que 1%, geralmente não é indicado.

Elementos comuns, como C, Si, Mn, S e P, normalmente não são marcados. Os símbolos e o conteúdo de seus elementos só são marcados se tiverem uma finalidade específica.

Uso de vários tipos de ferro fundido

Ferro fundido branco

No ferro fundido branco, todo o carbono existe na forma de carbono permeável (Fe3C), resultando em uma superfície de fratura branca e brilhante.

Por esse motivo, ele é chamado de ferro fundido branco.

Entretanto, devido à alta concentração de Fe3C duro e quebradiço, o ferro fundido branco tem um alto nível de dureza, mas também é altamente quebradiço e difícil de processar.

Como resultado, ele não é comumente usado diretamente em aplicações industriais, exceto em algumas aplicações que exigem resistência ao desgaste sem impacto, como matrizes de trefilação e esferas de ferro para moinhos de bolas.

Em vez disso, ele é utilizado principalmente como matéria-prima para a produção de aço e ferro fundido maleável.

Ferro fundido cinza

No ferro fundido, a maior parte ou todo o carbono existe como grafite em forma de folha em um estado livre, resultando em uma superfície de fratura cinza.

O ferro fundido cinzento tem boas propriedades de fundição, é fácil de usinar, tem boa resistência ao desgaste, processos simples de fusão e dosagem e 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 ferrita, ferro fundido cinzento à base de perlita-ferrita e ferro fundido cinzento à base de perlita com base em sua estrutura de matriz.

Devido à presença de grafite em forma de flocos, o ferro fundido cinzento tem baixa densidade, resistência, dureza, plasticidade e tenacidade nulas.

A existência desse 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 trincas, resultando em baixa resistência e baixa tenacidade no ferro fundido cinzento, tornando-o inadequado para o processamento sob pressão.

Para melhorar suas propriedades, certos inoculantes, como ferrossilício e silicato de cálcio, são adicionados ao ferro fundido antes da fundição para refinar a matriz de perlita.

Mferro maleável

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. Depois de passar por um longo período de alta temperatura recozimentoQuando a cementita se decompõe em aglomerados de grafite floculante, o resultado é um tipo de ferro fundido branco grafitizado.

O ferro fundido maleável pode ser dividido em dois tipos com base em sua microestrutura após o tratamento térmico: ferro maleável de núcleo preto e ferro maleável perolizado. A estrutura do ferro fundido maleável de núcleo preto é principalmente a base de ferrita (F) com grafite floculante, enquanto a estrutura do ferro fundido maleável perlítico é principalmente a 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 seção. Em seções pequenas, a matriz é de ferrita, enquanto em seções maiores, a área da superfície é de ferrita e o centro é de perlita e carbono recozido.

O ferro fundido de inoculação é produzido quando o grafite se torna fino e uniformemente distribuído após o tratamento de inoculação.

Ferro dúctil

Antes de derramar o ferro fundido (ferro-gusa nodular), um agente esferoidizante, geralmente feito de ferro-silício ou magnésio, é adicionado para esferoidizar o grafite no ferro fundido. A adição do agente esferoidizante melhora muito a resistência à tração, resistência ao escoamentoA plasticidade e a resistência ao impacto do ferro fundido nodular. Isso ocorre porque o carbono (grafite) na matriz de ferro fundido existe em uma forma esférica, melhorando seu efeito de divisão na matriz.

O ferro fundido nodular tem várias vantagens, incluindo resistência ao desgaste, absorção de choques, bom desempenho do processo e baixo custo. Essas vantagens levaram ao seu uso generalizado na substituição do ferro fundido maleável, bem como de algumas peças de aço fundido e aço forjado, como virabrequins, bielas, rolos e eixos traseiros de automóveis.

Como os elementos de liga melhoram o desempenho do ferro fundido?

Os elementos de liga comuns em ligas de ferro fundido incluem silício, manganês, fósforo, níquel, cromo, molibdênio, cobre, alumínio, boro, vanádio, titânio, antimônio e estanho. Esses elementos melhoram o desempenho do ferro fundido por meio de vários mecanismos:

• Silício (Si): Como um elemento benéfico, ele promove a grafitização, melhorando as propriedades mecânicas e a resistência ao desgaste das peças fundidas.
• Manganês (Mn): Ele refina a estrutura do grão, melhorando assim as propriedades mecânicas.
• Fósforo (P) e Enxofre (S): Embora normalmente sejam consideradas impurezas, elas podem melhorar a usinabilidade em determinadas circunstâncias.
• Outros elementos de liga, como níquel (Ni), cromo (Cr), molibdênio (Mo), cobre (Cu), alumínio (Al), vanádio (V), titânio (Ti), antimônio (Sb) e estanho (Sn): A adição desses elementos aumenta significativamente a força, a dureza, a resistência ao desgaste, a resistência à oxidação e a resistência à corrosão do ferro fundido.

Além disso, a inclusão de elementos de liga pode alterar a estrutura interna do ferro fundido, levando a novas mudanças de fase, melhorando assim seu desempenho no processo, como termoplasticidade, deformabilidade a frio, usinabilidade, temperabilidade e soldabilidade. Por exemplo, o silício e o carbono juntos promovem a grafitização, melhorando a compactação e a resistência das peças fundidas, reduzindo a tendência de formação de "boca branca", estabilizando a austenita e refinando a grafita e a perlita.

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 aprimoram o desempenho geral da liga de ferro fundido.

Quais são as aplicações detalhadas e as características de desempenho do ferro fundido branco em ferro fundido?

O ferro fundido branco, nomeado por sua superfície de fratura branco-prateada, é um tipo de ferro fundido que não precipita grafite durante o processo de cristalização. Esse tipo de ferro fundido tem uma grande quantidade de cementita livre em sua estrutura, resultando em alta dureza (geralmente acima de HB500), mas também é muito frágil. Devido à sua alta dureza e resistência ao desgaste, juntamente com seu baixo custo, o ferro fundido branco é uma opção viável para aplicações resistentes ao desgaste, apesar de ser considerado muito frágil para muitos componentes estruturais.

Os principais campos de aplicação do ferro fundido branco incluem peças resistentes ao desgaste, como ferramentas agrícolas, esferas de moagem, peças de moinhos de carvão, lâminas de máquinas de jateamento, peças de bombas de polpa, tubos de areia fundida e a camada externa de rolos de laminação rígida a frio. Além disso, ele é usado como matéria-prima para a fabricação de aço e como peça bruta para a produção de ferro fundido maleável. Especificamente, o ferro fundido branco com tungstênio e manganês e o ferro fundido branco com cromo e tungstênio são usados para peças que exigem usinagem mecânica e condições com grandes cargas de impacto, desgaste abrasivo de baixa tensão e desgaste abrasivo de alta tensão de moagem, respectivamente.

Em termos de características de desempenho, o ferro fundido branco é duro e quebradiço, não é fácil de usinar e raramente é usado diretamente para peças fundidas. Seu carbono existe inteiramente na forma de cementita (Fe3C), o que faz com que tenha propriedades mecânicas superiores às do ferro fundido cinzento e do ferro fundido maleável, e seu processo de produção é relativamente simples. Entretanto, devido à sua fragilidade, o ferro fundido branco não suporta trabalho a frio ou a quente e só pode ser usado diretamente no estado fundido.

O ferro fundido branco, com sua alta dureza e resistência ao desgaste, desempenha um papel importante em cenários de aplicação específicos, embora sua fragilidade limite sua aplicação em uma faixa mais ampla.

Quais são as diferenças específicas nas propriedades mecânicas entre o ferro cinzento e o ferro maleável?

As diferenças específicas nas propriedades mecânicas entre o ferro cinzento e o ferro maleável se refletem principalmente nos seguintes aspectos:

Morfologia do grafite: O grafite no ferro cinzento é em forma de flocos, enquanto o grafite no ferro maleável é em forma de verme. Essa diferença na morfologia do grafite leva a diferenças em suas propriedades mecânicas. O grafite em flocos confere ao ferro cinzento um certo grau de fragilidade, enquanto o grafite em forma de verme ajuda a melhorar a resistência do material.

Propriedades mecânicas: Devido à diferença na morfologia do grafite, as propriedades mecânicas do ferro maleável geralmente são superiores às do ferro cinzento. As propriedades mecânicas do ferro maleável ficam entre o ferro dúctil e o ferro cinzento, o que significa que ele é mais forte que o ferro cinzento, mas não tão forte quanto o ferro dúctil.

Desempenho de fundição: O desempenho de fundição do ferro maleável está entre o ferro cinzento e o ferro dúctil. Isso indica que o ferro maleável tem boa adaptabilidade e flexibilidade no processo de fundição, capaz de atender às demandas 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 hipoeutético para eutético. Isso significa que o ferro maleável tem maior flexibilidade no ajuste de sua composição química para otimizar 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 suas propriedades mecânicas por meio de tratamento térmico.

Como é quantificado o impacto do processo de recozimento nas propriedades mecânicas do ferro fundido maleável?

A influência do processo de recozimento nas propriedades mecânicas do ferro fundido maleável pode ser quantificada das seguintes maneiras:

Aumento da resistência e da plasticidade: Por meio do tratamento de recozimento de grafitização, o ferro fundido maleável pode alcançar maior resistência, plasticidade e tenacidade ao impacto, o que permite que ele substitua o aço carbono até certo ponto. Comparado ao ferro fundido cinzento, o ferro fundido maleável tem melhor resistência e plasticidade, especialmente seu desempenho de impacto em baixas temperaturas.

Aumento da resistência ao desgaste e do amortecimento de vibrações: A resistência ao desgaste e o amortecimento de vibrações do ferro fundido maleável superam o aço carbono comum, resultado de sua microestrutura e composição química específicas. A otimização durante o processo de recozimento pode aprimorar ainda mais essas propriedades.

Diminuição dos ciclos de produção e redução do consumo de energia: Os aprimoramentos no processo de recozimento, como o ajuste do teor de carbono e silício e a adição de elementos como bismuto, boro e alumínio para o tratamento de modificação, podem não apenas encurtar o ciclo de recozimento, mas também aumentar as taxas de qualificação do produto sem sacrificar o desempenho mecânico. Além disso, pesquisas sobre processos de recozimento rápido indicaram que a otimização das condições de recozimento pode reduzir efetivamente o consumo de energia e a poluição ambiental.

Aumento do grau de grafitização: Durante o processo de recozimento, a cementita eutética do ferro fundido branco sofre grafitização, um processo crucial para aumentar a resistência e a plasticidade do ferro fundido maleável. A otimização do processo de recozimento de grafitização ajuda a melhorar as propriedades mecânicas da peça fundida.

Aumento da resistência à fratura: O processo de tratamento de pré-aquecimento e sua microestrutura têm um efeito significativo sobre a resistência à fratura do ferro fundido maleável. Ao otimizar 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 fundamental para aumentar sua vida útil e confiabilidade.

O que é o processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil e sua função específica no aprimoramento das propriedades mecânicas?

O processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil inclui principalmente a esferoidização e a inoculação, por meio das quais se obtém o grafite esférico. Esse método de tratamento reduz efetivamente o efeito de fratura do grafite na matriz, melhorando significativamente as propriedades mecânicas do ferro fundido, incluindo plasticidade, tenacidade e resistência. Especificamente, o tratamento de esferoidização permite que o grafite exista em uma forma esférica dentro do ferro fundido. Essa estrutura, comparada ao grafite floculado ou floculento tradicional, é mais propícia à redução da concentração de tensão no material, melhorando o desempenho geral.

A função específica do tratamento de esferoidização é melhorar a microestrutura do ferro fundido, levando a uma distribuição mais uniforme do grafite e reduzindo o risco de trincas e fraturas causadas pela concentração de tensão durante o uso. Além disso, a presença de grafite esférico melhora a resistência ao desgaste e o amortecimento de vibrações do ferro fundido, o que é especialmente importante para aplicações que precisam suportar altas cargas e condições de estresse complexas. Por exemplo, em peças como virabrequins de máquinas elétricas, o ferro dúctil é amplamente utilizado devido às suas excelentes propriedades abrangentes.

O processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil, ao alterar a forma do grafite, não só aumenta a plasticidade, a tenacidade e a resistência do ferro fundido, mas também ajuda a melhorar sua resistência ao desgaste e o amortecimento de vibrações, melhorando, assim, o desempenho mecânico até certo ponto. Essas melhorias fazem do ferro dúctil um material com alta resistência, boa tenacidade e plasticidade. Seu desempenho abrangente é próximo ao do aço, o que o torna adequado para várias aplicações de engenharia que exigem tensão complexa, alta resistência e boa tenacidade.