Ferro flexível? Ferro dúctil vs. Ferro fundido

Como os engenheiros escolhem uma liga para fundições de metal

Ao escolher uma liga de ferro para uma fundição, o metalúrgico considera o orçamento, as propriedades mecânicas necessárias e as etapas de pós-fundição, como usinagem e tratamento térmico. Esses requisitos decidem qual liga usar. Atualmente, a maior escolha é entre ferro dúctil e ferro fundido.

Tecnicamente, “ferro fundido” sugere ligas de ferro que são fundidas em uma fundição. O ferro dúctil é uma dessas ligas. No entanto, o dúctil é relativamente novo em cena, com propriedades mecânicas únicas que o diferenciam das outras ligas de ferro. Essa diferença significa que “ferro fundido” geralmente especifica ligas de ferro cinza ou branco que fazem parte da metalurgia há séculos.

Que tipos de ferro são fundidos na fundição?

• Ferro fundido dúctil:Este tipo de ferro foi desenvolvido em 1948 e se tornou uma liga muito importante para fundições ferrosas. É muito menos quebradiço do que outros ferros fundidos.
• Ferro fundido maleável:Antes da invenção do ferro dúctil, esta liga era mais popular. É um ferro fundido branco que é tratado termicamente por um período muito longo. As condições no tratador térmico devem ser muito controladas. Quando o ferro maleável está acabado, ele fica bem menos quebradiço. Maleável ainda é usado para fundidos pequenos e finos, onde o dúctil é menos bem-sucedido.
• Ferro fundido branco:Esta liga é resfriada mais rapidamente do que outros ferros fundidos, produzindo uma molécula chamada cementita em sua rede. É uma liga frágil, mas possui excelente dureza e resistência à abrasão. É frequentemente usado em rolamentos e outras aplicações de alto atrito.
• Ferro fundido cinzento:A maioria dos itens de “ferro fundido” padrão são feitos de ferro fundido cinzento, então, quando as pessoas usam o termo, provavelmente essa é a liga a que se refere. Ao contrário do ferro fundido branco, o ferro cinzento tem uma microestrutura grafítica. Possui excelente capacidade de amortecimento de vibrações e ótima usinabilidade.

Ferros fundidos brancos e cinzentos criam peças fundidas de aparência muito semelhante. Sua coloração só é evidente quando fraturam.

Quais são as diferenças entre ferro dúctil e ferro fundido?

O ferro dúctil é menos quebradiço do que outros ferros fundidos, mesmo antes do tratamento térmico. Não fratura tão facilmente com o impacto. Ser dúctil permite que o ferro se dobre. Em comparação, o ferro fundido cinzento é mais duro. Essa dureza significa que ele gerencia bem o desgaste da superfície. O ferro cinzento também é melhor no amortecimento de vibrações. As diferenças são devido às microestruturas de grafite dentro dessas ligas de ferro.

O ferro fundido cinzento tem 2,5 a 4% de carbono e 1 a 3% de silício em peso. O silício na liga é necessário para estabilizar as moléculas de grafite que dão ao ferro fundido cinzento suas propriedades. No entanto, este silício só é eficaz na sustentação e manutenção do grafite se o metal não sofrer choque térmico durante o resfriamento. Um resfriamento muito rápido levará à formação de cementita e transformará o ferro cinza em ferro branco, mesmo com silício na mistura. No ferro fundido cinzento, os flocos de grafite são incorporados através da superfície e são visíveis no ferro cinzento altamente polido.

O ferro fundido dúctil tem 3,2–3,6% de carbono, 2,2–2,8% de silício e uma pequena porcentagem de um “elemento nodulizante”. Descoberto em 1943, o dúctil tinha muitas das mesmas propriedades que o ferro maleável, só que tinha essas propriedades fora do molde. O longo e técnico tratamento térmico necessário para tornar o ferro fundido maleável o tornou mais caro e propenso a erros. Dúctil era uma solução óbvia. (Maleável ainda é usado em fundidos finos onde o dúctil esfria muito rápido e produz carbonetos.)

Como o ferro fundido cinzento, o grafite é uma parte importante da microestrutura do ferro dúctil. No entanto, o elemento nodulizante – como magnésio, cério ou telúrio – molda as moléculas de grafite em esferas em vez de flocos. Essas esferas deslizam umas sobre as outras em vez de criar planos ao longo dos quais o ferro pode fraturar. Os nódulos tornam o ferro dúctil mais flexível e menos duro. Onde a dureza da superfície é necessária, o tratamento térmico pode ser usado.

 

FERRO DÚCTIL (ASTM A536)

FERRO CINZENTO (ASTM 40)

FERRO BRANCO

FERRO FUNDIDO MALALEÁVEL (FERRO FUNDIDO BRANCO, COZIDO)

Castibilidade

Fundição padrão:muito mais fácil do que a fundição de aço

Força de Cedência

50k psi

—

—

33kpsi

Alongamento %

18

0,5

0

12

Resistência à tração

72k psi

40-50kpsi

25kpsi

52kpsi

Dureza [Brinell]

130-217

260

450

130

Resistência à corrosão

Enferruja, mas pode desenvolver uma pátina protetora em ambientes externos.

Expansão térmica 20°C

6,46*10 ^-6
em/(em* ºF)

6,46*10 ^-6
em/(em* ºF)

5,0*10 ^-6
em/(em* ºF)

6,6*10 ^-6
em/(em* ºF)

Amortecimento relativo
(razão logarítmica da amplitude sucessiva)

5-20*10 ⁴

20-500*10 ⁴

2-4*10 ⁴

8-15*10 ⁴

Custo

$$

$

$

$$$

Usinabilidade

Médio

Bom

Bom

Médio

Soldabilidade

Baixo-Médio dependendo do procedimento

Médio

Não soldável

A soldagem é possível, mas converte parte do ferro maleável em ferro cinza



FERRO DÚCTIL (ASTM A536)

Castibilidade

Fundição padrão:muito mais fácil do que a fundição de aço

Força de Cedência

50k psi

Alongamento %

18

Resistência à tração

72k psi

Dureza [Brinell]

130-217

Resistência à corrosão

Enferruja, mas pode desenvolver uma pátina protetora em ambientes externos.

Expansão térmica 20°C

6,46*10 ^-6
em/(em* ºF)

Amortecimento relativo (razão logarítmica da amplitude sucessiva)

5-20*10 ⁴

Custo

$$

Usinabilidade

Médio

Soldabilidade

Baixo-Médio dependendo do procedimento



FERRO CINZENTO (ASTM 40)

Castibilidade

Fundição padrão:muito mais fácil do que a fundição de aço

Força de Cedência

—

Alongamento %

0,5

Resistência à tração

40-50kpsi

Dureza [Brinell]

260

Resistência à corrosão

Enferruja, mas pode desenvolver uma pátina protetora em ambientes externos.

Expansão térmica 20°C

6,46*10 ^-6
em/(em* ºF)

Amortecimento relativo (razão logarítmica da amplitude sucessiva)

20-500*10 ⁴

Custo

$

Usinabilidade

Bom

Soldabilidade

Médio



FERRO BRANCO

Castibilidade

Fundição padrão:muito mais fácil do que a fundição de aço

Força de Cedência

—

Alongamento %

0

Resistência à tração

25kpsi

Dureza [Brinell]

450

Resistência à corrosão

Enferruja, mas pode desenvolver uma pátina protetora em ambientes externos.

Expansão térmica 20°C

5,0*10 ^-6
em/(em* ºF)

Amortecimento relativo (razão logarítmica da amplitude sucessiva)

2-4*10 ⁴

Custo

$

Usinabilidade

Bom

Soldabilidade

Não soldável



FERRO FUNDIDO MALALEÁVEL (FERRO FUNDIDO BRANCO, COZIDO)

Castibilidade

Fundição padrão:muito mais fácil do que a fundição de aço

Força de Cedência

33kpsi

Alongamento %

12

Resistência à tração

52kpsi

Dureza [Brinell]

130

Resistência à corrosão

Enferruja, mas pode desenvolver uma pátina protetora em ambientes externos.

Expansão térmica 20°C

6,6*10 ^-6
em/(em* ºF)

Amortecimento relativo (razão logarítmica da amplitude sucessiva)

8-15*10 ⁴

Custo

$$$

Usinabilidade

Médio

Soldabilidade

A soldagem é possível, mas converte parte do ferro maleável em ferro cinza

Escolha entre ferro dúctil e ferro fundido tradicional

O ferro dúctil é um pouco mais caro do que o ferro cinzento, mas é mais barato e mais fácil de fundir do que o aço. Geralmente é escolhido por suas propriedades mecânicas e valor. Como uma liga menos frágil que o ferro fundido, é usado em aplicações onde a ductilidade e a resistência ao impacto são úteis. É melhor que o aço em amortecimento de vibração e rendimento de compressão, embora o ferro cinzento ainda seja superior para amortecimento.

Bollards projetados para resistência ao impacto geralmente usam ferro dúctil. É a principal liga de ferro usada para tubos, especialmente aqueles sob pressão. Peças dúcteis podem ser encontradas em componentes automotivos, bombas e invólucros de cabos onde o impacto é provável.

O ferro cinzento ainda é uma liga importante e bem utilizada para aplicações onde a fragilidade do ferro fundido tradicional não é um problema. Os itens que não serão expostos ao impacto no curso regular do desgaste são geralmente feitos de ferro fundido cinzento. As frigideiras de ferro fundido são geralmente de ferro cinzento. Hardscape, como grades de árvores, grades de trincheiras e tampas de bueiros também são frequentemente de ferro cinza. O amortecimento de vibração superior torna o ferro cinza uma excelente base de máquina. Também é a escolha certa para freios ou componentes do motor que não serão atingidos, mas precisarão lidar com alta vibração.

Em qualquer projeto, é importante conversar com um metalúrgico ou engenheiro antes de escolher uma liga. Eles examinarão a tensão de trabalho no componente e ajudarão a escolher materiais que possam gerenciar a aplicação com segurança. Escolher ferro dúctil versus ferro fundido às vezes pode se resumir ao valor. Outras vezes, as qualidades específicas da liga são o que é necessário.