Ferro Fundido Explicado: Definição, Propriedades e Aplicações

O que é Ferro Fundido?

O ferro fundido é um grupo de ligas de ferro-carbono com teor de carbono entre 2% e 4%. Além disso, contém quantidades variáveis de silício (1 a 3% em peso), manganês e traços de impurezas como enxofre e fósforo. O ferro fundido é produzido pela redução de minério de ferro em alto-forno.

O ferro líquido é vertido ou fundido e solidificado em lingotes brutos chamados "pigs". Estes são então refundidos junto com sucata e elementos de liga em fornos do tipo cadinho (cupola) e vazados em moldes para produzir uma variedade de produtos.

Os elementos de liga afetam a cor da fratura: o ferro fundido branco apresenta carbonetos que permitem a propagação fácil de trincas; o ferro fundido cinzento possui grafita em folhas que desviam trincas e iniciam inúmeras novas trincas durante a fratura; e o ferro fundido dúctil (nodular) apresenta grafita esferoidal ("nódulos") que interrompem a propagação da trinca.

Com exceção do ferro maleável, o ferro fundido tende a ser frágil. Graças ao seu ponto de fusão relativamente baixo, boa fluidez, excelente usinabilidade, resistência à deformação e ao desgaste, o ferro fundido tornou-se um material de engenharia com ampla gama de aplicações.

É utilizado em tubulações, máquinas e peças automotivas como cabeçotes de cilindros, blocos de cilindros e caixas de câmbio. Resiste à oxidação, mas é difícil de soldar.

Composição do Ferro Fundido

O ferro fundido é feito a partir de ferro-gusa, produto da fusão do minério de ferro em alto-forno. Pode ser produzido diretamente do ferro-gusa líquido ou pela refusão deste, muitas vezes com quantidades substanciais de ferro, aço, calcário, carbono (coque), tomando medidas para remover contaminantes indesejáveis.

Fósforo e enxofre podem ser queimados do ferro fundido, mas isso também queima o carbono, que deve ser reposto. Dependendo da aplicação, os teores de carbono e silício são ajustados aos níveis desejados, variando tipicamente entre 2–3,5% e 1–3%, respectivamente.

Se desejado, outros elementos são adicionados ao banho antes da conformação final por fundição.

O ferro fundido às vezes é fundido em um tipo especial de alto-forno conhecido como cadinho (cupola), mas em aplicações modernas é mais comum o uso de fornos de indução elétrica ou fornos a arco elétrico. Após a fusão completa, o ferro fundido líquido é vertido em um forno de espera ou panela.

Diferença entre Ferro Fundido e Aço

A principal diferença é que o aço é produzido a partir de minério de ferro e sucata metálica, sendo uma liga de ferro com carbono controlado. Enquanto cerca de 4% de carbono no ferro resulta em ferro fundido, teores inferiores a 2% resultam em aço.

O ferro fundido é mais barato que a maioria dos aços. Além disso, sua temperatura de fusão é menor que a do aço, mas possui alta resistência à compressão, alta dureza e alta resistência ao desgaste. Portanto, a diferença fundamental é que o aço é dúctil e maleável, enquanto o ferro fundido é endurecido e tem alta resistência à compressão.

Outra diferença importante: no aço o carbono está na forma de carboneto de ferro, enquanto no ferro fundido o carbono está presente como grafita, carboneto de ferro ou ambos. Além disso, o ferro fundido tem excelente fluidez, ao contrário do aço.

Propriedades do Ferro Fundido

Algumas propriedades mecânicas comuns incluem:

• Dureza. O ferro fundido é duro e pode ser endurecido por aquecimento e resfriamento brusco, o que o torna bastante durável. O aço doce pode ser endurecido e temperado por processos adequados.
• Tenacidade. Capacidade do material de absorver energia.
• Ductilidade. Capacidade do material de deformar-se sem fraturar.
• Elasticidade. Capacidade de retornar às dimensões originais após deformação.
• Maleabilidade. Capacidade de deformar-se sob compressão sem romper.
• Resistência à tração. Maior tensão longitudinal que um material suporta sem rasgar.
• Resistência à fadiga. Maior tensão que um material suporta por um número determinado de ciclos sem quebrar.
• Ponto de Fusão. O ferro fundido tem ponto de fusão mais baixo (~1200 °C) comparado ao aço doce (1300–1400 °C).
• Fundibilidade. O ferro fundido é mais fácil de trabalhar na fundição de formas complexas. Devido ao carbono extra, sua forma fundida é mais fluida, facilitando a fundição em formas complexas.
• Usinabilidade. O ferro fundido é quase elástico até o limite de resistência à tração e produz cavacos descontínuos que se desprendem facilmente, melhorando a capacidade de corte. Por isso, é o material preferido quando se busca alta usinabilidade e resistência.

Composição Detalhada e Efeitos dos Elementos

O ferro fundido, liga de ferro com 2 a 4% de carbono, além de quantidades variáveis de silício e manganês e traços de impurezas como enxofre e fósforo. É obtido pela redução de minério de ferro em alto-forno.

Contém também pequenas quantidades de impurezas como silício, enxofre, manganês, fósforo, cobre, níquel, cromo, que afetam suas propriedades em maior ou menor escala. Os efeitos são:

• Silício: Presença de até 4%. Promove a formação de grafita, tornando o material mais macio e facilmente usinável; aumenta a endurecibilidade e a resistividade elétrica.
• Enxofre: Até 0,1%. Torna o ferro fundido duro e frágil.
• Manganês: Promove a formação de carbonetos, tornando-o duro e aumentando resistência ao desgaste e abrasão. Presente até 0,75%.
• Cromo: Promove formação de carbonetos; aumenta endurecibilidade, resistência ao desgaste, corrosão e oxidação.
• Níquel: Aumenta a resistência à tração.
• Tungstênio: Aumenta a dureza a quente e resistência a quente.
• Molibdênio: Aumenta a endurecibilidade.
• Vanádio: Aumenta a endurecibilidade e dureza a quente.
• Alumínio: Atua como desoxidante no aço.
• Titânio: Atua como desoxidante no aço.
• Nióbio: Reduz a endurecibilidade e aumenta a ductilidade, resultando em maior tenacidade ao impacto.
• Cobalto: Reduz a endurecibilidade e resiste ao amolecimento em temperaturas elevadas.

Tipos de Ferro Fundido

Os quatro tipos básicos são: ferro branco, ferro cinzento, ferro dúctil e ferro maleável.

• Ferro branco
• Ferro cinzento
• Ferro dúctil
• Ferro maleável

1. Ferro Fundido Cinzento

O tipo mais comum, o ferro cinzento, possui microestrutura de grafita composta por numerosas microfraturas. Recebe este nome porque a presença dessas microtrincas cria a aparência de cor cinza.

Durante a produção, as trincas se abrem revelando a grafita acinzentada sob a superfície. O ferro cinzento não é tão forte quanto o aço, nem absorve a mesma quantidade de impacto. Oferece resistência à compressão similar ao aço, sendo popular em aplicações onde esta propriedade é importante.

Caracterizado pela grafita na microestrutura, proporcionando:

• Boa usinabilidade
• Boa resistência ao desgaste e galling (adesão por atrito)

2. Ferro Fundido Branco

Menos comum que o cinzento, o ferro branco deve seu nome à cor esbranquiçada, resultado de compostos de ferro conhecidos como cementita. Como o ferro cinzento, possui muitas microtrincas.

A diferença é que o ferro branco apresenta cementita sob a superfície, enquanto o cinzento apresenta grafita. A grafita produz aparência cinza; a cementita, aparência branca. O ferro fundido branco é duro e oferece excelente resistência à abrasão.

Caracterizado pela prevalência de carbonetos, impactando:

• Alta resistência à compressão
• Dureza
• Boa resistência ao desgaste

3. Ferro Fundido Dúctil

Também conhecido como ferro nodular, é um tipo de liga de ferro de alto carbono, macia e dúctil. Geralmente fabricado com traços de magnésio e cério.

Quando esses compostos são adicionados, inibem o crescimento da grafita, mantendo o metal macio e dúctil. O ferro dúctil foi inventado no início/meados dos anos 1940.

Ferro cinzento com pequenas quantidades de magnésio e césio nódulo a grafita, resultando em:

• Alta resistência
• Alta ductilidade

4. Ferro Fundido Maleável

Um ferro fácil de "trabalhar". Geralmente produzido por tratamento térmico do ferro fundido branco. O ferro branco é aquecido por até dois dias e depois resfriado. Uma vez concluído, o ferro maleável pode ser dobrado e conformado em formas e tamanhos únicos.

Ferro fundido branco tratado termicamente para melhorar:

• Maior ductilidade

5. Ferro Fundido Mesclado (Mottled)

Possui quantidades iguais de carbono livre e carboneto, apresentando propriedades e cor intermediárias entre o ferro cinzento e o branco.

6. Ferro Fundido Resfriado (Chilled)

Se o ferro fundido branco for resfriado rapidamente a partir do estado líquido, o produto é conhecido como ferro fundido resfriado.

7. Ferro Fundido Ligado

Produzido pela adição de elementos de liga como níquel, cromo, cobre, etc. Apresenta propriedades melhoradas conforme o elemento de liga. É produzido para obter propriedades desejadas específicas.

Aplicações do Ferro Fundido

O ferro fundido é utilizado na fabricação de diversos materiais e ferramentas.

• Ferro cinzento: Blocos de cilindros de motor, volantes, caixas de câmbio, bases de máquinas-ferramenta.
• Ferro branco: Superfícies de mancais.
• Ferro dúctil: Engrenagens, comandos de válvulas, virabrequins, anéis de pistão.
• Diversos tipos de conexões sanitárias como tubos de esgoto, poços de visita, tubos de água, caixas d'água.
• Bases de colunas e colunas metálicas.
• Moldes de fundição para postes de iluminação, escadas metálicas, portões, etc.
• Rodas de carruagens e cadeiras de trilho.
• Diversos equipamentos e implementos agrícolas.
• Diversas peças de máquinas.
• Peças automotivas.
• Panelas, frigideiras e utensílios de cozinha.
• Ancoras para navios.

Vantagens do Ferro Fundido

• Boas propriedades de fundição
• Boa sensibilidade (resposta ao tratamento térmico)
• Excelente resistência ao desgaste
• Boa usinabilidade
• Baixa sensibilidade a entalhes
• Baixa concentração de tensões
• Baixo custo
• Durabilidade
• Resistência à deformação
• Resistência à compressão três a cinco vezes superior à do aço
• Excelentes propriedades anti-vibração (amortecimento), usado em estruturas de máquinas
• Propriedades mecânicas constantes entre 20 e 350 °C
• Disponível em grandes quantidades, produzido em massa; ferramentas para fundição são relativamente baratas, resultando em baixo custo dos produtos
• Pode assumir qualquer forma e tamanho complexo sem operações de usinagem custosas

Desvantagens do Ferro Fundido

• Propenso à ferrugem
• Baixa resistência à tração
• Alta relação peso/resistência
• Alta fragilidade
• Baixa resistência ao impacto
• Comparado ao aço, tem usinabilidade inferior (nota: contradição com vantagem listada; o ferro branco é não usinável)
• Peças são sensíveis à seção transversal; devido ao resfriamento lento de seções espessas
• A falha das peças é súbita e total, não apresenta ponto de escoamento
• Não usinável (ferro fundido branco)

Perguntas Frequentes

O que é Ferro Fundido?

Grupo de ligas de ferro-carbono com teor de carbono entre 2% e 4%, além de silício (1 a 3%), manganês e traços de impurezas como enxofre e fósforo. Produzido pela redução de minério de ferro em alto-forno.

Qual a composição do ferro fundido?

Ligas de ferro-carbono com 2–4% de carbono, 1–3% de silício, manganês e traços de enxofre e fósforo.

Quais são os tipos de ferro fundido?

Quatro tipos básicos: ferro branco, ferro cinzento, ferro dúctil e ferro maleável.

Quais são os usos do ferro fundido?

Devido à sua boa resistência à tração e ductilidade, o ferro maleável é usado em conexões elétricas, ferramentas manuais, conexões de tubos, arruelas, suportes, equipamentos agrícolas, hardware de mineração e peças de máquinas. Classificação comum: ASTM A47.

É saudável cozinhar em ferro fundido?

Não se resume a frituras. Uma frigideira de ferro fundido retém calor, o que permite cozinhar de forma saudável, segundo a nutricionista Kerri-Ann Jennings.

Quais são os benefícios do ferro fundido?

Mantém o calor. Ao contrário do aço inoxidável que aquece rápido e uniformemente, o ferro fundido retém o calor por toda a panela por muito mais tempo, resultando em cozimento mais uniforme e desejável para carnes e bifes.

Quais são as desvantagens do ferro fundido?

• Propenso à ferrugem.
• Baixa resistência à tração.
• Peças sensíveis à seção, devido ao resfriamento lento de seções espessas.
• Falha súbita e total; não apresenta ponto de escoamento.
• Baixa resistência ao impacto.
• Comparado ao aço, usinabilidade inferior.

Ferro fundido é melhor que aço?

Geralmente tem melhor resistência ao desgaste mecânico que o aço, especialmente em situações de desgaste por atrito.

Qual é melhor: ferro ou ferro fundido?

O ferro fundido é mais duro, mais frágil e menos maleável que o ferro forjado. Não pode ser dobrado, esticado ou martelado, pois sua baixa resistência à tração faz com que frature antes de curvar. Porém, tem boa resistência à compressão.

O ferro fundido é forte?

Muito forte à compressão. O ferro forjado, como a maioria dos metais, é forte à tração e tenaz – resistente à fratura.

O ferro fundido é barato?

Panelas de ferro fundido são baratas de fabricar e não têm a vantagem de marca como Le Creuset (ferro fundido esmaltado fino). Cozinhar em ferro fundido é um mercado de nicho e as peças passam de geração em geração.

Por que o ferro fundido não enferruja?

É uma liga com alto teor de carbono (pelo menos 1,7%, geralmente 3,0–3,7%), tornando-o relativamente resistente à corrosão.

Ferro preto é o mesmo que ferro fundido?

Apesar do nome, tubo de ferro preto é feito de "aço doce" de baixa liga, oferecendo melhor resistência à corrosão que tubulações tradicionais de ferro fundido.

Quem inventou o ferro fundido?

O inglês Abraham Darby revolucionou a louça de ferro fundido; em 1707 patenteou método para fundir ferro em panelas e chaleiras relativamente finas, tornando-as mais baratas.

Por que o ferro fundido é tão pesado?

Tem maior capacidade térmica que o cobre, exigindo mais energia para aquecer. Mais energia é armazenada por libra. O alumínio tem maior capacidade térmica que o ferro (armazena mais calor por libra) mas é muito menos denso.

Ferro fundido é mais forte que alumínio?

Parecem iguais, mas o alumínio fundido é mais leve e mais forte. Devido à maior massa do ferro, retém calor por mais tempo, mas demora mais para aquecer. O ferro fundido tem vida útil mais longa e é mais caro.

Leia também

• Grafita: Propriedades, Aplicação e Diferentes Tipos.
• Cromo: Propriedades, Usos e Efeito no Corpo Humano.
• Aço: Definição, Tipos e Aplicação.
• Aço Inoxidável: Definição, Tipos e Aplicação.