Ferro Fundido vs Aço Fundido: Diferenças Principais e Aplicações

Qual a diferença entre ferro fundido e aço fundido?

A fundição oferece capacidade excepcional para detalhes de design, muitas vezes eliminando a necessidade de fabricação e montagem adicionais. Muitos materiais podem ser fundidos, incluindo vários tipos de metais e sintéticos, mas ferro e aço em particular apresentam excelentes propriedades mecânicas para uma ampla gama de aplicações.

Embora ferro fundido e aço possam parecer semelhantes na superfície, cada um tem vantagens e desvantagens distintas da produção à aplicação. Entender essas vantagens e desvantagens e escolher apropriadamente pode significar a diferença entre força e durabilidade implacáveis e peças fraturadas ou deformadas que rapidamente perdem seu brilho.

Teor de carbono é a principal diferença

Ferro e aço são ambos metais ferrosos compostos principalmente de átomos de ferro. Na manufatura, porém, não é tão simples — existem muitas ligas e graus diferentes usados na produção. Para entendê-los, é importante distinguir entre o ferro usado em produtos cotidianos e o elemento químico ferro (Fe). O ferro elementar é o material encontrado na natureza, tipicamente em forma oxidada que requer processamento intensivo chamado fundição para extrair.

Ferro elementar puro é muito mole para ser útil na maioria das aplicações. Ele fica mais duro, e portanto mais útil, quando é ligado, ou misturado, com carbono. De fato, a composição de carbono é a principal distinção entre ferro fundido e aço. Ferro fundido tipicamente contém mais de 2% de carbono, enquanto aço fundido frequentemente contém entre 0,1–0,5% de carbono.

Características

A tabela a seguir fornece uma visão geral das qualidades de cada material. Embora existam muitos tipos diferentes de ferro e aço a considerar, esta tabela foca em ferro cinzento, ferro dúctil e aço carbono.

Ferro Cinzento

Ferro Dúctil

Aço

Usinabilidade

★

Fundibilidade

★

Amortecimento de Vibração

★

Resistência à Corrosão

★

★

Tenacidade

★

Fragilidade

★

Resistência à Compressão

★

Resistência à Tração

★

Dureza

★

Aplicações

Blocos de motor, cabeçotes, coletores, queimadores a gás, blanks de engrenagens, gabinetes, carcaças, produtos de paisagismo externo, frigideiras, caixas elétricas, fundições decorativas, peças de fogão, pesos

Balizadores, mobiliário de local, munhões de direção, virabrequins, engrenagens de serviço pesado, componentes de suspensão automotiva e de caminhão, componentes hidráulicos, dobradiças de portas de automóveis

Balizadores, rodas industriais, engrenagens de fundição, corpos de válvulas, máquinas de mineração, rodas de turbinas hidrelétricas, prensas de forjamento, estruturas de vagões ferroviários, carcaças de bombas, equipamentos marinhos, carcaças de motor, caminhões pesados, equipamentos de construção

Ferro Cinzento

Usinabilidade

★

Fundibilidade

Amortecimento de Vibração

★

Resistência à Corrosão

★

Tenacidade

Fragilidade

★

Resistência à Compressão

Resistência à Tração

Dureza

★

Aplicações

Blocos de motor, cabeçotes, coletores, queimadores a gás, blanks de engrenagens, gabinetes, carcaças, produtos de paisagismo externo, frigideiras, caixas elétricas, fundições decorativas, peças de fogão, pesos

Ferro Dúctil

Usinabilidade

Fundibilidade

★

Amortecimento de Vibração

Resistência à Corrosão

★

Tenacidade

Fragilidade

Resistência à Compressão

★

Resistência à Tração

Dureza

Aplicações

Balizadores, mobiliário de local, munhões de direção, virabrequins, engrenagens de serviço pesado, componentes de suspensão automotiva e de caminhão, componentes hidráulicos, dobradiças de portas de automóveis

Aço

Usinabilidade

Fundibilidade

Amortecimento de Vibração

Resistência à Corrosão

Tenacidade

★

Fragilidade

Resistência à Compressão

Resistência à Tração

★

Dureza

Aplicações

Balizadores, rodas industriais, engrenagens de fundição, corpos de válvulas, máquinas de mineração, rodas de turbinas hidrelétricas, prensas de forjamento, estruturas de vagões ferroviários, carcaças de bombas, equipamentos marinhos, carcaças de motor, caminhões pesados, equipamentos de construção

Fundibilidade

A maioria das pessoas não encontrou ferro ou aço em seu estado fundido — o que é compreensível, já que o ferro funde a cerca de 1260°C e o aço a 1427°C, e ambos são vazados em moldes em temperaturas ainda mais altas. Pessoas que trabalham com ferro e aço líquidos descobrem rapidamente que diferem dramaticamente em fluidez e taxas de contração.

Ferro fundido é relativamente fácil de fundir, pois flui facilmente e não encolhe tanto quanto o aço. Isso significa que preencherá prontamente os vazios complexos em um molde e requer menos material fundido para fazê-lo. Esta fluidez torna o ferro fundido um metal ideal para estruturas de ferro arquitetônicas ou ornamentais, como cercas e bancos.

Vazar aço é muito mais difícil. É menos fluido que o ferro fundido e mais reativo a materiais de molde. Também encolhe mais quando esfria, significando que mais material fundido precisa ser vazado — tipicamente em um reservatório de excesso, chamado de alimentador, do qual a fundição retira conforme esfria.

Fundições, no entanto, tipicamente não esfriam uniformemente por toda sua estrutura interna. Áreas externas e porções mais finas esfriam e encolhem em taxas diferentes que áreas internas e porções mais volumosas — frequentemente criando tensão interna, ou estresse, que só pode ser aliviada através de tratamento térmico. O aço é muito mais suscetível que o ferro a estresses de contração, e em algumas situações, estas tensões podem levar a vazios internos e/ou externos significativos, e possíveis fraturas eventuais.

Por estas razões, o aço fundido requer mais atenção e inspeção durante todo o processo de fundição, tornando a produção mais intensiva em recursos.

Usinabilidade

Dependendo da aplicação final, peças fundidas podem precisar ser usinadas para atingir tolerâncias específicas ou criar um acabamento desejado. No mínimo, objetos como canais de alimentação e canais de vazamento precisam ser cortados e retificados.

Usinabilidade é a medida de quão fácil um dado material é de cortar ou retificar; alguns materiais são mais difíceis de usinar que outros. Como regra geral, metais com altas adições de liga para melhorar desempenho mecânico têm menor usinabilidade.

Ferro fundido é tipicamente muito mais fácil de usinar que aço. A estrutura de grafite no ferro fundido se rompe mais facilmente e de maneira mais uniforme. Ferros mais duros, como ferro branco, são muito mais difíceis de usinar devido à sua fragilidade.

O aço não é tão fácil de cortar com a mesma consistência, e causa mais desgaste de ferramenta, resultando em custos de produção mais altos. Aços endurecidos, ou aqueles com maior teor de carbono, também aumentam o desgaste da ferramenta. Aço mais mole não é necessariamente melhor, no entanto — aços de baixo carbono, apesar de mais moles, podem ficar gomosos e difíceis de trabalhar.

Amortecimento de vibração

Propriedades de amortecimento devem ser consideradas ao selecionar um material de fundição, pois a falta de capacidade de amortecimento pode levar a vibração e ruído excessivos, como toque ou chiado. Dependendo de onde um material é usado, amortecimento eficaz pode resultar em desempenho mais robusto e confiável.

As estruturas de grafite no ferro fundido, especialmente as formações em folhas no ferro cinzento, são especialmente boas para absorver vibração. Isso torna o ferro fundido ideal para blocos de motor, carcaças de cilindros e bases de máquinas, e outras aplicações onde robustez e precisão são importantes. Reduzir vibração pode minimizar estresse e prevenir desgaste em peças móveis.

Resistência à compressão

Resistência à compressão é a capacidade de um material suportar forças que reduziriam o tamanho do objeto. Isso é oposto a forças direcionadas a puxar um material para fora. Resistência à compressão é benéfica em aplicações mecânicas onde pressão e contenção são fatores. Tipicamente, ferro fundido tem melhor resistência à compressão que aço.

Resistência ao impacto

Até agora, pode parecer que há mais vantagens em usar ferro fundido que aço, mas o aço tem uma vantagem significativa: resistência ao impacto. O aço é excelente em suportar impactos repentinos sem dobrar, deformar ou quebrar. Isso se deve à sua tenacidade: sua capacidade de suportar altas tensões e forças de deformação.

Resistência sem ductilidade resulta em material frágil altamente suscetível a fratura — e o ferro fundido é o exemplo clássico de resistência sem ductilidade. Por causa de sua fragilidade, o ferro fundido tem uma gama limitada de aplicação.

Ao mesmo tempo, alta ductilidade, ou a capacidade de deformar sem falha, não é muito útil sem a resistência para suportar impacto significativo. Um elástico, por exemplo, pode passar por deformação significativa sem quebrar, mas a quantidade de força que pode suportar é muito limitada.

Enquanto o ferro pode ser mais fácil de trabalhar na maioria das aplicações de fundição, o aço tem uma mistura ótima de resistência e ductilidade para muitas aplicações, e o aço fundido é extremamente tenaz. As qualidades de resistência ao impacto e natureza de suporte de carga do aço o tornam desejável para muitas aplicações mecânicas e estruturais — é por isso que o aço é o metal mais amplamente usado no mundo.

Resistência à corrosão

O ferro tem melhor resistência à corrosão que o aço. Ambos os metais oxidam na presença de umidade, mas o ferro desenvolve uma pátina para prevenir corrosão profunda da integridade do metal.

Outra forma de prevenir corrosão é com tinta ou revestimento em pó, ou IronArmor para proteção adicional. Qualquer lasca ou rachadura que exponha o metal subjacente resultará em corrosão, então manutenção regular é importante para metais revestidos.

Se resistência à corrosão mantendo uma aparência de metal cru prateado for um fator importante, aços de liga são provavelmente uma opção melhor — especificamente aços inoxidáveis, que têm cromo e outras ligas adicionadas para prevenir oxidação.

Resistência ao desgaste

Ferro fundido tipicamente tem melhor resistência ao desgaste mecânico que aço, especialmente em situações de desgaste por atrito. Uma certa quantidade de teor de grafite na matriz de ferro fundido cria um lubrificante seco grafitico que permite superfícies sólidas deslizarem uma contra a outra sem deteriorar a qualidade da superfície, tornando-o mais difícil de desgastar.

O aço desgasta mais prontamente que o ferro, mas ainda pode ser resistente a certos tipos de abrasão. Certas adições de liga também podem melhorar as qualidades de abrasão do aço.

Custo

Ferro fundido é frequentemente mais barato que aço fundido devido a menores custos de material, energia e mão de obra necessários para produzir um produto final. Aço bruto é mais caro para comprar, e requer mais tempo e atenção para fundir. Ao projetar produtos fundidos, no entanto, vale a pena considerar uso a longo prazo e custos de substituição. Peças mais caras de fabricar podem acabar custando menos a longo prazo.

O aço também está disponível em muitas formas pré-fabricadas — como chapas, barras, tubos e vigas — e frequentemente pode ser usinado ou montado para atender a uma aplicação particular. Dependendo do produto e quantidade necessária, fabricar produtos de aço existentes pode ser uma opção custo-efetiva.

Diferentes tipos de ferro fundido e aço fundido

Comparamos as qualidades das formas mais básicas de ferro fundido (ferro cinzento) e aço fundido (aço doce ou carbono), mas a composição específica e estrutura de fase de ferro e aço podem afetar grandemente as propriedades mecânicas. Por exemplo, o carbono em um ferro cinzento padrão toma a forma de folhas de grafite afiadas, enquanto ferro dúctil apresenta estruturas de grafite mais esferoidais. Grafite em folhas é o que torna o ferro cinzento frágil, enquanto as partículas de grafite arredondadas no ferro dúctil melhoram a tenacidade — tornando-o mais adequado para aplicações de resistência ao impacto.

Ligas podem ser adicionadas a ambos ferro e aço para projetar propriedades desejadas. Manganês, por exemplo, aumenta a tenacidade, enquanto cromo melhora a resistência à corrosão. Teor de carbono variável também é o que distingue entre aços de baixo, padrão e alto carbono — quantidades maiores tornando materiais muito mais duros.

Em última análise, a escolha entre ferro fundido e aço fundido dependerá do tipo e aplicação da instalação final.

Para mais informações sobre ferro ou aço, ou para solicitar um orçamento para um projeto personalizado, entre em contato conosco.

Fontes

• American Foundry Society. "Machining Cast Iron Components". afsinc.org
• American Foundry Society. "Understanding Material Specifications for Steel Castings". afsinc.org
• Machine Design. "Cast Iron". machinedesign.com
• Nickel Institute. "Cast Irons & Cast Alloys". nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Iron and Steel. Cambridge University Press. 2012.
• Woodford, Chris. "Iron and steel". explainthatstuff.com