Introdução ao ferro fundido:história, tipos, propriedades e usos

Um metal versátil, o ferro fundido tem muitas aplicações exclusivas no mundo comercial e industrial

A presença do ferro na vida cotidiana começou por volta de 1200 aC, abrangendo uma ampla gama de usos, desde implementos agrícolas até armas de guerra. Os ferreiros tornaram-se uma profissão crítica, trabalhando com ferro para alterar suas propriedades e moldar o material em ferramentas. Cada vila e cidade teriam uma oficina de ferreiro, onde foram produzidos foices, arados, pregos, espadas, castiçais e muito mais.

A descoberta do valor do ferro levou ao que ficou conhecido como Idade do Ferro, devido ao domínio deste material em aplicações sociais e militares. Outro marco para os metais se seguiria – a Revolução Industrial mudou a forma como os metais eram produzidos e transformados em produtos, incluindo o ferro.

Tipos de ferro

Existem dois tipos principais de ferro produzido:ferro forjado e ferro fundido. Dentro deles, o ferro fundido inclui sua própria família de metais.

Ferro forjado

O primeiro tipo de ferro produzido e trabalhado por ferreiros foi o ferro forjado. É praticamente puro ferro elementar (Fe) que é aquecido em uma fornalha antes de ser forjado (trabalhado) com martelos em uma bigorna. Martelo de ferro expele a maior parte da escória do material e solda as partículas de ferro juntas.

Durante a revolução industrial e a aceleração associada das atividades de construção, foi descoberto um novo uso para o ferro forjado. Sua alta resistência à tração (resistência à ruptura quando sob tensão) o tornou ideal para uso em vigas em grandes projetos de construção, como pontes e arranha-céus. No entanto, o uso de ferro forjado para esse fim foi amplamente abandonado no início do século 20, quando produtos de aço foram desenvolvidos com desempenho superior ao ferro para aplicações de construção.

O ferro forjado tornou-se famoso pelas peças decorativas. As igrejas dos séculos XV e XVI contêm belas peças de ferro forjado produzidas por artesãos qualificados. No mundo moderno, grades, portas e bancos ainda são feitos de ferro forjado como peças personalizadas.

Ferro fundido

O ferro fundido é produzido pela fundição de ligas de ferro-carbono com teor de carbono superior a 2%. Após a fundição, o metal é derramado em um molde. A principal diferença na produção entre ferro forjado e ferro fundido é que o ferro fundido não é trabalhado com martelos e ferramentas. Também existem diferenças na composição – o ferro fundido contém 2–4% de carbono e outras ligas e 1–3% de silício, o que melhora o desempenho de fundição do metal fundido. Pequenas quantidades de manganês e algumas impurezas como enxofre e fósforo também podem estar presentes. As diferenças entre o ferro forjado e o ferro fundido também podem ser encontradas nos detalhes da estrutura química e nas propriedades físicas.

Embora tanto o aço quanto o ferro fundido contenham traços de carbono e pareçam semelhantes, existem diferenças significativas entre os dois metais. O aço contém menos de 2% de carbono, o que permite que o produto final se solidifique em uma única estrutura microcristalina. O maior teor de carbono do ferro fundido significa que ele se solidifica como uma liga heterogênea e, portanto, possui mais de uma estrutura microcristalina presente no material.

É a combinação de alto teor de carbono e a presença de silício, que confere ao ferro fundido sua excelente lingotamento. Vários tipos de ferros fundidos são produzidos usando diferentes técnicas de tratamento e processamento térmico, incluindo ferro cinzento, ferro branco, ferro maleável, ferro dúctil e ferro grafite compactado.

Ferro cinza

O ferro cinzento é caracterizado pela forma de flocos das moléculas de grafite no metal. Quando o metal é fraturado, a quebra ocorre ao longo dos flocos de grafite, o que lhe confere a cor cinza na superfície do metal fraturado. O nome ferro cinzento vem dessa característica.

É possível controlar o tamanho e a estrutura da matriz dos flocos de grafite durante a produção, ajustando a taxa de resfriamento e a composição. O ferro cinzento não é tão dúctil como outras formas de ferro fundido e sua resistência à tração também é menor. No entanto, é um melhor condutor térmico e tem um maior nível de amortecimento de vibrações. Tem uma capacidade de amortecimento 20 a 25 vezes superior ao aço e superior a todos os outros ferros fundidos. O ferro fundido cinzento também é mais fácil de usinar do que outros ferros fundidos, e suas propriedades de resistência ao desgaste o tornam um dos produtos de ferro fundido de maior volume.

Nossos produtos hardscape são feitos de ferro cinzento. O amortecimento de vibrações e a resistência ao desgaste são propriedades que fazem deste o material certo para muitas aplicações de rua. O ferro cinza bruto também produz uma pátina que o mantém protegido contra corrosão destrutiva, mesmo ao ar livre.

Ferro branco

Com o teor de carbono correto e uma alta taxa de resfriamento, os átomos de carbono se combinam com o ferro para formar carboneto de ferro. Isso significa que há pouca ou nenhuma molécula de grafite livre no material solidificado. Quando o ferro branco é cortado, a face fraturada aparece branca devido à ausência de grafite. A estrutura microcristalina de cementita é dura e quebradiça com alta resistência à compressão e boa resistência ao desgaste. Em certas aplicações especializadas, é desejável ter ferro branco na superfície do produto. Isso pode ser conseguido usando um bom condutor de calor para fazer parte do molde. Isso retirará o calor do metal fundido rapidamente dessa área específica, enquanto o restante da peça esfria a uma taxa mais lenta.

Um dos tipos mais populares de ferro branco é o Ni-Hard Iron. A adição de ligas de cromo e níquel confere a este produto excelentes propriedades para aplicações de baixo impacto e abrasão por deslizamento.

Ferros brancos e ferros ni-hard se enquadram em uma classificação de ligas referida como ASTM A532; a “Especificação Padrão para Ferros Fundidos Resistentes à Abrasão”.

Ferro maleável

O ferro branco pode ser transformado em ferro maleável através de um processo de tratamento térmico. Um programa estendido de aquecimento e resfriamento resulta na quebra das moléculas de carboneto de ferro, liberando moléculas de grafite livres no ferro. Diferentes taxas de resfriamento e a adição de ligas produzem um ferro maleável com estrutura microcristalina.

Ferro dúctil (ferro nodular)

O ferro dúctil, ou ferro nodular, obtém suas propriedades especiais através da adição de magnésio na liga. A presença de magnésio faz com que o grafite se forme em forma de esferóide, em oposição aos flocos de ferro cinzento. O controle de composição é muito importante no processo de fabricação. Pequenas quantidades de impurezas como enxofre e oxigênio reagem com o magnésio, afetando a forma das moléculas de grafite. Diferentes graus de ferro dúctil são formados pela manipulação da estrutura microcristalina ao redor do esferóide de grafite. Isto é conseguido através do processo de fundição, ou através do tratamento térmico, como uma etapa de processamento a jusante.

Como o ferro dúctil se deforma com o impacto, em vez de quebrar em cacos, usamos o material para fazer nossos postes de ferro fundido. O perfil de impacto do ferro dúctil o torna um bom ferro fundido para cabeços próximos ao tráfego de veículos.

Ferro de grafite compactado

O ferro de grafite compactado tem uma estrutura de grafite e propriedades associadas que são uma mistura de ferro cinza e branco. A estrutura microcristalina é formada em torno de flocos de grafite que são interconectados. Uma liga, como o titânio, é usada para suprimir a formação de grafite esferoidal. O ferro de grafite compactado tem uma maior resistência à tração e ductilidade melhorada em comparação com o ferro cinzento. A estrutura e as propriedades microcristalinas podem ser ajustadas por meio de tratamento térmico ou adição de outras ligas.

Resumo das composições de ferro fundido

Uma tabela desenvolvida pelo Engineer's Handbook mostra as diferentes faixas de composição para os vários tipos de ferro fundido:

GAMA DE COMPOSIÇÕES PARA FERROS FUNDIDOS NÃO LIGADOS TÍPICOS
VALORES EM PERCENTAGEM (%)

TIPO DE FERRO

CARBONO

SILICONE

MANGANÊS

ENXOFRE

FÓSFORO

Cinza

2,5 - 4,0

1,0 - 3,0

0,2 - 1,0

0,02 - 0,25

0,02 - 1,0

Dúctil

3,0 - 4,0

1,8 - 2,8

0,1 - 1,0

0,01 - 0,03

0,01 - 0,1

Grafite compactado

2,5 - 4,0

1,0 - 3,0

0,2 - 1,0

0,01 - 0,03

0,01 - 0,1

Maleável (branco fundido)

2,0 - 2,9

0,9 - 1,9

0,15 - 1,2

0,02 - 0,2

0,02 - 0,2

Branco

1,8 - 3,6

0,5 - 1,9

0,25 - 0,8

0,06 - 0,2

0,06 - 0,2

TIPO DE FERRO

CARBONO

Cinza

2,5 - 4,0

Dúctil

3,0 - 4,0

Grafite compactado

2,5 - 4,0

Maleável (branco fundido)

2,0 - 2,9

Branco

1,8 - 3,6

TIPO DE FERRO

SILICONE

Cinza

1,0 - 3,0

Dúctil

1,8 - 2,8

Grafite compactado

1,0 - 3,0

Maleável (branco fundido)

0,9 - 1,9

Branco

0,5 - 1,9

TIPO DE FERRO

MANGANÊS

Cinza

0,2 - 1,0

Dúctil

0,1 - 1,0

Grafite compactado

0,2 - 1,0

Maleável (branco fundido)

0,15 - 1,2

Branco

0,25 - 0,8

TIPO DE FERRO

ENXOFRE

Cinza

0,02 - 0,25

Dúctil

0,01 - 0,03

Grafite compactado

0,01 - 0,03

Maleável (branco fundido)

0,02 - 0,2

Branco

0,06 - 0,2

TIPO DE FERRO

FÓSFORO

Cinza

0,02 - 1,0

Dúctil

0,01 - 0,1

Grafite compactado

0,01 - 0,1

Maleável (branco fundido)

0,02 - 0,2

Branco

0,06 - 0,2

Propriedades mecânicas do ferro fundido

As propriedades mecânicas de um material indicam como ele responde a tensões específicas, o que ajuda a determinar sua adequação para diferentes aplicações. As especificações são definidas por organizações como a American Society for Testing and Materials (ASTM) para que os usuários possam comprar materiais com a confiança de que atendem aos requisitos de sua aplicação. A especificação de ferro fundido cinzento mais comumente usada é ASTM A48.

Para qualificar produtos fundidos de acordo com suas especificações, uma prática padrão é fundir uma barra de teste junto com os fundidos projetados. Os testes ASTM são então aplicados a esta barra de teste e os resultados são usados ​​para qualificar todo o lote de peças fundidas.

As especificações também são importantes ao soldar peças de ferro fundido juntas. A solda deve atender ou exceder as propriedades mecânicas do material que está sendo soldado – caso contrário, podem ocorrer fraturas e falhas.

Algumas propriedades mecânicas comuns para ferro fundido incluem:

• Dureza – resistência do material à abrasão e à indentação
• Resistência – capacidade do material de absorver energia
• Ductilidade – capacidade do material de se deformar sem fratura
• Elasticidade – capacidade do material de retornar às suas dimensões originais após ter sido deformado
• Maleabilidade – capacidade do material de se deformar sob compressão sem se romper
• Resistência à tração – a maior tensão longitudinal que um material pode suportar sem rasgar
• Resistência à fadiga – a maior tensão que um material pode suportar por um determinado número de ciclos sem quebrar

Esta tabela resume algumas das principais propriedades mecânicas para vários graus de ferro fundido. Para mais informações, veja “Iron Alloys”, um ótimo documento de referência da American Foundry Society.




DUREZA BRINELL

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

MÓDULO DE ELASTICIDADE

% ALONGAMENTO (EM 50 MM)

Ferro cinza classe 25

187

29,9 ks

16,1 Msi

–

Gray iron classe 40

235

41,9 ks

18,2 Msi

–

Ferro dúctil grau 60-40-18

130 - 170

60 ks

24,5 Msi

–

Ferro dúctil grau 129-90-02

240 - 300

120 ks

25,5 Msi

–

CGI nota 250

179 máx.

36,2 km/min



3

CGI nota 450

207 - 269

65,2 ksi min



1



DUREZA BRINELL

Ferro cinza classe 25

187

Gray iron classe 40

235

Ferro dúctil grau 60-40-18

130 - 170

Ferro dúctil grau 129-90-02

240 - 300

CGI nota 250

179 máx.

CGI nota 450

207 - 269



RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

Ferro cinza classe 25

29,9 ks

Gray iron classe 40

41,9 ks

Ferro dúctil grau 60-40-18

60 ks

Ferro dúctil grau 129-90-02

120 ks

CGI nota 250

36,2 km/min

CGI nota 450

65,2 ksi min



MÓDULO DE ELASTICIDADE

Ferro cinza classe 25

16,1 Msi

Gray iron classe 40

18,2 Msi

Ferro dúctil grau 60-40-18

24,5 Msi

Ferro dúctil grau 129-90-02

25,5 Msi

CGI nota 250



CGI nota 450





% ALONGAMENTO (EM 50 MM)

Ferro cinza classe 25

–

Gray iron classe 40

–

Ferro dúctil grau 60-40-18

–

Ferro dúctil grau 129-90-02

–

CGI nota 250

3

CGI nota 450

1

Aplicações comuns de ferro fundido

As várias propriedades dos diferentes tipos de ferro fundido fazem com que cada tipo seja adequado para aplicações específicas.

Aplicações de ferro cinza

Uma das principais características do ferro fundido cinzento é sua capacidade de resistir ao desgaste mesmo quando o suprimento de lubrificação é limitado (por exemplo, as paredes superiores do cilindro nos blocos do motor). O ferro cinzento é usado para fazer blocos de motor e cabeçotes, coletores, queimadores de gás, peças em bruto, gabinetes e carcaças.

Aplicações de ferro branco

O processo de resfriamento usado para fazer o ferro branco resulta em um material quebradiço, muito resistente ao desgaste e à abrasão. Por esta razão, é usado para fazer revestimentos de moinhos, bicos de jateamento, sapatas de freio de ferrovias, carcaças de bombas de polpa, rolos de laminação e britadores.

Ni-Hard Iron é usado especificamente para pás misturadoras, sem-fins e matrizes, placas de revestimento para moinhos de bolas, calhas de carvão e guias de arame para trefilar arames.

Aplicações de ferro dúctil

O próprio ferro dúctil pode ser dividido em diferentes graus, cada um com suas próprias especificações de propriedade e aplicações mais adequadas. É fácil de usinar, tem boa resistência à fadiga e ao escoamento, além de ser resistente ao desgaste. Sua característica mais conhecida, no entanto, é a ductilidade. O ferro dúctil pode ser usado para fazer juntas de direção, arados, virabrequins, engrenagens para serviços pesados, componentes de suspensão de automóveis e caminhões, componentes hidráulicos e dobradiças de portas de automóveis.

Aplicações de ferro maleável

Diferentes graus de ferro maleável correspondem a diferentes estruturas microcristalinas. Atributos específicos que tornam o ferro maleável atraente são sua capacidade de reter e armazenar lubrificantes, as partículas de desgaste não abrasivas e a superfície porosa que retém outros detritos abrasivos. O ferro maleável é usado para superfícies de rolamentos de serviço pesado, correntes, rodas dentadas, bielas, componentes do trem de acionamento e do eixo, material circulante de ferrovias e máquinas agrícolas e de construção.

Aplicações de ferro de grafite compactado

O ferro de grafite compactado está começando a se tornar conhecido em aplicações comerciais. A combinação das propriedades do ferro cinzento e do ferro branco cria um produto de alta resistência e alta condutividade térmica – adequado para blocos e carcaças de motores diesel, camisas de cilindros, discos de freio para trens, coletores de escapamento e placas de engrenagem em bombas de alta pressão.

Usinagem e acabamento

As propriedades de dureza do ferro fundido exigem uma seleção cuidadosa dos materiais das máquinas-ferramenta. Os carbonetos revestidos são eficazes em ambientes de usinagem de produção, mas materiais mais novos estão sendo desenvolvidos continuamente à medida que a tecnologia melhora.

O acabamento superficial dos produtos de ferro fundido varia muito de acordo com o uso. Algumas aplicações comuns:

• Eletrogalvanização
• Imersão a quente
• Pulverização térmica
• Revestimento de difusão
• Revestimento de conversão
• Esmaltação de porcelana
• Revestimento orgânico líquido
• Revestimento orgânico em pó seco

Ferro fundido e o futuro

Desde o seu uso inicial, há mais de 3.000 anos, o ferro permaneceu como parte integrante da sociedade humana. A produção de ferro percorreu um longo caminho desde os séculos de trabalho do ferro pelos ferreiros até a invenção do ferro fundido na era industrial.

Desde então, o ferro forjado tornou-se amplamente obsoleto, exceto para usos decorativos. Por outro lado, o ferro fundido ainda está progredindo em termos de composição, microestrutura e propriedades mecânicas - continuando a deixar sua marca no mundo moderno.

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