Ferro Fundido Revelado: História, Tipos, Propriedades e Aplicações Modernas

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

A presença do ferro na vida cotidiana começou por volta de 1200 a.C., abrangendo uma ampla gama de usos, de implementos agrícolas a armas de guerra. Ferreiros tornaram-se uma profissão crítica, trabalhando com ferro para alterar suas propriedades e moldar o material em ferramentas. Cada vila e cidade teria uma forja de ferreiro, onde foices, arados, pregos, espadas, castiçais e mais eram produzidos.

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 seguiria — a Revolução Industrial mudou a forma como os metais eram produzidos e trabalhados em produtos, incluindo o ferro.

Tipos de ferro

Existem dois tipos principais de ferro produzidos: ferro forjado e ferro fundido. Dentro destes, 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 virtualmente ferro elementar puro (Fe) que é aquecido em forno antes de ser forjado (trabalhado) com martelos em uma bigorna. Martelar o ferro expulsa 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, um novo uso para o ferro forjado foi descoberto. Sua alta resistência à tração (resistência à quebra sob tensão) o tornava ideal para uso em vigas em grandes projetos de construção como pontes e arranha-céus. No entanto, o uso de ferro forjado para este propósito foi largamente 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 por peças decorativas. Igrejas dos séculos 15 e 16 contêm finas peças de ferro forjado produzidas por artesãos habilidosos. No mundo moderno, corrimãos, portas e bancos ainda são feitos de ferro forjado como peças personalizadas.

Ferro fundido

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

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

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

Ferro cinzento

O ferro cinzento é caracterizado pela forma de floco das moléculas de grafite no metal. Quando o metal é fraturado, a quebra ocorre ao longo dos flocos de grafite, o que lhe dá a cor cinzenta na superfície do metal fraturado. O nome ferro cinzento vem desta 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 quanto outras formas de ferro fundido e sua resistência à tração também é menor. No entanto, é um melhor condutor térmico e tem nível mais alto de amortecimento de vibração. Tem capacidade de amortecimento 20-25 vezes maior que o aço e superior a todos os outros ferros fundidos. O ferro cinzento também é mais fácil de usinar que outros ferros fundidos, e suas propriedades de resistência ao desgaste o tornam um dos produtos de ferro fundido de maior volume.

Nossos produtos de hardscape são feitos de ferro cinzento. Amortecimento de vibração e resistência ao desgaste são propriedades que tornam este o material certo para muitas aplicações urbanas. Ferro cinzento bruto também produz uma pátina que o mantém seguro contra corrosão destrutiva mesmo em ambientes externos.

Ferro branco

Com o teor de carbono correto e uma alta taxa de resfriamento, átomos de carbono combinam com ferro para formar carboneto de ferro. Isso significa que há poucas ou nenhuma molécula de grafite livre no material solidificado. Quando o ferro branco é cisalhado, a face fraturada aparece branca devido à ausência de grafite. A microestrutura de cementita é dura e frágil 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 alcançado usando um bom condutor de calor para fazer parte do molde. Isso retirará calor do metal fundido rapidamente dessa área específica, enquanto o resto da fundição esfria a uma taxa mais lenta.

Um dos graus mais populares de ferro branco é o Ferro Ni-Hard. A adição de ligas de cromo e níquel dá a este produto excelentes propriedades para aplicações de abrasão deslizante de baixo impacto.

Ferros brancos e ferros ni-hard entram 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 processado adicionalmente em ferro maleável através de um processo de tratamento térmico. Um programa prolongado 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 uma 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 forme em forma esferoidal, em oposição aos flocos do 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 manipulando a estrutura microcristalina ao redor do esferoide de grafite. Isso é alcançado através do processo de fundição, ou através de tratamento térmico, como etapa de processamento downstream.

Como o ferro dúctil deforma no impacto, em vez de se estilhaçar em fragmentos, usamos o material para fazer nossos bolardos de ferro fundido. O perfil de impacto do ferro dúctil o torna um bom ferro fundido para bolardos próximos a tráfego de veículos.

Ferro grafítico compactado

O ferro grafítico compactado tem uma estrutura de grafite e propriedades associadas que são uma mistura de ferro cinzento e ferro branco. A estrutura microcristalina é formada ao redor de flocos de grafite rombos que estão interconectados. Uma liga, como titânio, é usada para suprimir a formação de grafite esferoidal. O ferro grafítico compactado tem maior resistência à tração e ductilidade melhorada comparado ao ferro cinzento. A estrutura microcristalina e propriedades podem ser ajustadas através 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:

TIPO DE FERRO	CARBONO	SILÍCIO	MANGANÊS	ENXOFRE	FÓSFORO
Cinzento	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
Grafítico Compactado	2,5 – 4,0	1,0 – 3,0	0,2 – 1,0	0,01 – 0,03	0,01 – 0,1
Maleável (Fundido Branco)	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

Propriedades mecânicas do ferro fundido

As propriedades mecânicas de um material indicam como ele responde sob tensões específicas, o que ajuda a determinar sua adequação para diferentes aplicações. Especificações são definidas por organizações como a American Society for Testing and Materials (ASTM) para que usuários possam comprar materiais com confiança de que atendem aos requisitos para sua aplicação. A especificação de ferro cinzento fundido 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 as fundições projetadas. Os testes ASTM são então aplicados a esta barra de teste e os resultados são usados para qualificar todo o lote de fundições.

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

Algumas propriedades mecânicas comuns para ferro fundido incluem:

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

Esta tabela resume algumas das principais propriedades mecânicas para vários graus de ferro fundido. Para mais informações, veja "Ligas de Ferro", um excelente documento de referência da American Foundry Society.

DUREZA BRINELL	RESISTÊNCIA À TRAÇÃO	MÓDULO DE ELASTICIDADE	% ALONGAMENTO (EM 50 MM)
Ferro cinzento classe 25	187	29,9 ksi	16,1 Msi	–
Ferro cinzento classe 40	235	41,9 ksi	18,2 Msi	–
Ferro dúctil grau 60-40-18	130 – 170	60 ksi	24,5 Msi	–
Ferro dúctil grau 129-90-02	240 – 300	120 ksi	25,5 Msi	–
CGI grau 250	179 máx	36,2 ksi mín		3
CGI grau 450	207 – 269	65,2 ksi mín		1

Aplicações comuns do ferro fundido

As várias propriedades de diferentes tipos de ferro fundido resultam em cada tipo sendo adequado para aplicações específicas.

Aplicações de ferro cinzento

Uma das características principais do ferro cinzento é sua capacidade de resistir ao desgaste mesmo quando o suprimento de lubrificação é limitado (ex: paredes superiores do cilindro em blocos de motor). O ferro cinzento é usado para fazer blocos de motor e cabeçotes de cilindro, coletores, queimadores de gás, espaçadores de engrenagens, invólucros e carcaças.

Aplicações de ferro branco

O processo de resfriamento rápido usado para fazer ferro branco resulta em um material frágil muito resistente a desgaste e abrasões. Por isso, é usado para fazer revestimentos de moinhos, bicos de jateamento, sapatas de freio ferroviário, carcaças de bombas de polpa, rolos de laminadores e britadores.

O Ferro Ni-Hard é especificamente usado para pás de misturadores, roscas e matrizes, placas de revestimento para moinhos de bolas, calhas de carvão e guias de fio para trefilação.

Aplicações de ferro dúctil

O próprio ferro dúctil pode ser dividido em diferentes graus, cada um com suas próprias especificações de propriedades e aplicações mais adequadas. É fácil de usinar, tem boa resistência à fadiga e ao escoamento, sendo resistente ao desgaste. Sua característica mais conhecida, no entanto, é a ductilidade. O ferro dúctil pode ser usado para fazer nós de direção, arados, virabrequins, engrenagens de serviço pesado, componentes de suspensão automotiva e de caminhão, 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, partículas de desgaste não abrasivas, e a superfície porosa que prende outros detritos abrasivos. O ferro maleável é usado para superfícies de mancais de serviço pesado, correntes, engrenagens, bielas, componentes de trem de força e eixo, material rodante ferroviário, e máquinas agrícolas e de construção.

Aplicações de ferro grafítico compactado

O ferro grafítico compactado está começando a se fazer presente em aplicações comerciais. A combinação das propriedades do ferro cinzento e ferro branco cria um produto de alta resistência e alta condutividade térmica — adequado para blocos e estruturas de motores diesel, camisas de cilindro, discos de freio para trens, coletores de escape e engrenagens em bombas de alta pressão.

Usinagem e acabamento

As propriedades de dureza do ferro fundido exigem seleção cuidadosa de materiais de ferramentas de máquina. 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 de produtos de ferro fundido varia muito de acordo com o uso. Algumas aplicações comuns:

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

Ferro fundido e o futuro

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

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

Para mais informações sobre fundições de metal, ou para solicitar um orçamento para um projeto de metal personalizado, entre em contato conosco.