Ferro Fundido: Propriedades Principais, Tipos e Aplicações Práticas

O que é Ferro Fundido?

Ferro fundido (cast iron) é liga de ferro contendo 2 a 4% carbono, além de quantidades variáveis de silício e manganês e traços de impurezas como enxofre e fósforo. Produzido pela redução de minério de ferro em alto-forno.

Carbono no ferro fundido geralmente existe em duas formas associadas:

1. Como composto cementita (combinação química) — ferro chamado ferro fundido branco
2. Como carbono livre (mistura mecânica) — chamado ferro fundido cinzento

Carbono na primeira forma = "carbono combinado"; na segunda = "carbono livre" ou grafite.

Estágio intermediário mostra manchas cinzentas na estrutura branca. Chamado ferro malhado (mottled iron).

Ferro fundido malhado (MCI) usado em laminadores, especialmente últimas bancadas, por sua combinação de alta resistência, condutividade térmica e módulo elástico. Em MCI, áreas microestruturais de ferro branco e cinzento resultam da solidificação.

A qualidade do ferro fundido depende não só da quantidade absoluta de carbono, mas das condições em que este existe. Variedades comuns:

Tipos de Ferro Fundido

1. Ferro fundido cinzento
2. Ferro fundido branco
3. Ferro fundido maleável
4. Ferro fundido nodular (dúctil)
5. Ferro fundido resfriado (chilled)
6. Ferro fundido liga
7. Ferro fundido Meehanite

1. Ferro Fundido Cinzento (Grey Cast Iron)

Obtido permitindo resfriamento e solidificação lenta. Na solidificação, contém maior parte do carbono como flocos de grafite.

Contém grandes quantidades de carbono e quantidades relativamente pequenas de silício, fósforo, enxofre, manganês.

Apresenta estrutura cristalina ou granular cinzenta opaca e luz forte dá efeito brilhante por reflexão dos flocos de grafite livre. Presença de grafite livre vista ao lixar ou usinar — mãos ficam pretas.

É frágil e quebra facilmente com martelo pesado. Resistência muito maior em compressão que tração. Resistência à tração: 12-13 kgf/mm² (120-300 N/mm²), depende da composição. Em compressão: 60-75 kgf/mm² (600-750 N/mm²). Em cisalhamento: ~15-22 kgf/mm² (150-225 N/mm²). Dureza: 150-240 BHN.

Vantagens: (1) barato, (2) baixa temperatura de fusão (1.150-1.200°C) e fluidez no estado fundido, (3) facilmente usinado. Grafite livre atua como lubrificante; deslizamentos de máquinas grandes feitos dele têm ação muito livre. Fluidez permite fundir peças de formas intrincadas.

2. Ferro Fundido Branco (White Cast Iron)

Contém carbono exclusivamente como cementita (carboneto de ferro). Obtido por quantidades relativamente grandes de manganês, muito pouco silício, e resfriamento rápido. Taxa ordinária em areia produz grafite livre; resfriamento rápido favorece cementita. Manganês encoraja formação de carboneto. Composição aproximada na Tabela 4.2.

É muito duro (400-600 BHN) e frágil, superfície de fratura tem aparência metálica prateada. Do ponto de vista de engenharia, aplicação limitada. Dificuldade de usinagem e pobre capacidade de processamento mecânico. Usado para fabricar ferro forjado. Também fundido como material intermediário para ferro maleável. Não enferruja tanto quanto o cinzento.

3. Ferro Fundido Maleável (Malleable Cast Iron)

Ferro fundido comum é duro e frágil. Inadequado para artigos finos, leves, sujeitos a choque/vibração ou pequenas peças de máquinas.

Termo "maleável" é impróprio pois não são muito maleáveis comparados a padrões de maleabilidade. Comparados a ferro cinzento (frágil), possuem grau de tenacidade, por isso o nome.

Fundidos maleáveis são feitos primeiro de ferro com todo carbono combinado (ferro branco). Dois métodos para maleabilizar: (1) Coração branco (White heart), (2) Coração preto (Black heart). Nomes referem-se à cor da fratura. Composições aproximadas na Tabela 4.3.

4. Ferro Dúctil (Ductile Iron)

Ferro grafite esferoidal, também ferro fundido nodular, é grau superior pois grafite precipita não como flocos mas como esferoides. Alcançado pela adição de: magnésio, cério, cálcio, bismuto, zinco, cádmio, titânio ou boro. Ferro-silício também usado como inoculante.

Ferro fundido esferoidal pode ser produzido em peças mais grossas que maleável. Características: alta fluidez (permite fundir formas intrincadas) e excelente combinação de resistência e ductilidade. Resistência à tração ~33 kgf/mm² (330 N/mm²). Também conhecido como ferro dúctil.

Amplamente usado em peças fundidas onde densidade e estanqueidade a pressão são altamente desejáveis: cilindros hidráulicos, válvulas, tubos e conexões, cabeçotes de compressores e motores diesel. Cilindros de laminadores e muitos tipos de peças fundidas centrifugamente também feitos de ferro esferoidal.

5. Ferro Fundido Resfriado (Chilled Cast Iron)

Resfriamento rápido = "resfriamento" (chilling); ferro produzido = "ferro resfriado" (chilled iron). Todos fundidos são resfriados na superfície externa pelo contato com areia fria do molde. Como ferro fundido tem condutividade térmica maior que areia, porções resfriadas sofrem solidificação e resfriamento rápido, produzindo superfície dura. Mas dureza penetra apenas ~1-2 mm.

Às vezes fundido é resfriado intencionalmente, às vezes acidentalmente a pequena profundidade. Resfriamento intencional usa ferro fundido em vez de areia nas porções do molde onde superfícies duras são requeridas. Onde tocado pelo metal fundido, superfície resfria súbitamente e converte-se em ferro branco. Com fundição em molde permanente (chill casting), moldes permanentes de aço resistente a calor ou ferro fundido com grafite folheado são usados.

Resfriadores (Chills) usados naqueles fundidos onde algumas partes requerem dureza de ferro branco, enquanto outras requerem núcleo relativamente mole e tenaz de ferro cinzento.

6. Ferro Fundido Liga (Alloy Cast Iron)

Ferros fundidos liga desenvolvidos recentemente para superar deficiências inerentes do ferro comum e dar qualidades mais adequadas para fins especiais. Adição de níquel, cromo, molibdênio, titânio, silício, cobre e outros elementos confere propriedades especiais.

Uso de 1-2% níquel em ferro de boa qualidade oferece meio simples e eficaz de melhorar propriedades e serviço de fundidos de ferro. Garante usinabilidade e uniformidade de estrutura. Com níquel ~25%, vida útil aumentada em peças sujeitas a desgaste abrasivo.

7. Ferro Fundido Meehanite

Cilindros ou camisas de cilindro de todos tamanhos, do menor ao maior, são exemplos notáveis. Ferro fundido níquel também usado para resistir corrosão cáustica. Por isso, empregado em panelas, tubos e outros fundidos em contato com licor cáustico.

Adição de apenas 1% níquel dá benefício geral. Fator proeminente para uso de níquel: obter densidade e estanqueidade em fundidos com seções grandes e variadas. Levou à aplicação em peças de máquinas a vapor e hidráulicas, compressores e motores de combustão interna.

Quando melhoria em qualidade de desgaste é importante, adições de cromo com níquel são úteis. Ferro fundido ligado assim encontra ampla aplicação em bombas de todos tipos onde desgaste por fricção e erosão deve ser considerado. Ferro fundido com 10-30% Cr e 1-3% C total exibe alto grau de resistência a calor combinada com resistência em altas temperaturas.

Ferro fundido com 10% Ni e 6% Mn torna-se não magnético. Ferro fundido não magnético patenteado conhecido como "Nomag".

FERRO FUNDIDO MEEHANITE

Ferros fundidos nos quais metal foi tratado com siliceto de cálcio, conhecidos pelo nome comercial meehanite. Siliceto de cálcio atua como grafitizante e produz estrutura de grafite fina, dando ferro fundido de excelentes propriedades mecânicas. As altas qualidades não são só pelo siliceto de cálcio mas também por controle cuidadoso de todos fatores na fusão no forno cupola ou elétrico e na moldagem. Muito pouco siliceto permanece no ferro após solidificação.

Metal usado é baixo em silício, moderadamente baixo em carbono (limitado ~2,5-3%). Normalmente seria branco se fundido, mas grafitização pelo sistema meehanite fornece gama de materiais para requisitos de engenharia.

Existem mais de 26 tipos de metal meehanite sob 5 classificações: (a) engenharia geral, (b) resistente a calor, (c) resistente a desgaste, (d) resistente a corrosão, (e) nodular tipo 'S'.

Todos ferros meehanite têm alta resistência, tenacidade, ductilidade e fácil usinabilidade. Alegam preencher lacuna entre ferro fundido comum e aço. Fundidos pesam 500-6.000 kg. Metal de grão fechado, Brinell 200-210.

Ferro meehanite responde a tratamento térmico ao contrário do ferro cinzento comum; pode ser endurecido total ou superficialmente. Também pode ser tenazificado por tratamento adequado para uso em fundidos de máquinas-ferramenta.

Produção de Ferro Fundido

Ferro fundido é feito de ferro-gusa, subproduto da fusão de minério em alto-forno. Pode ser feito diretamente de ferro-gusa fundido ou re-fundindo ferro-gusa, frequentemente com quantidades significativas de ferro, aço, calcário, carbono (coque), e vários passos para remover contaminantes indesejáveis. Fósforo e enxofre podem ser queimados do ferro fundido, mas isso também queima carbono, que deve ser reposto. Teores de carbono e silício ajustados aos níveis desejados (2-3,5% e 1-3%, respectivamente, conforme aplicação). Outros elementos podem ser adicionados à fusão se desejado antes de fundir a forma final.

Às vezes fundido em tipo especial de alto-forno chamado cupola, mas mais comumente fundido em fornos de indução elétrica ou fornos a arco elétrico em aplicações modernas. Ferro fundido é vazado em forno de espera ou panela após fusão completa.