Ferro fundidoé um grupo de ligas de ferro-carbono com teor de carbono superior a 2%.A sua utilidade deriva da sua temperatura de fusão relativamente baixa.Os constituintes da liga afetam sua cor quando fraturados: o ferro fundido branco possui impurezas de carboneto que permitem a passagem direta das trincas, o ferro fundido cinzento possui flocos de grafite que desviam uma trinca passageira e iniciam inúmeras novas trincas à medida que o material quebra, e o ferro fundido dúctil possui esféricos. "nódulos" de grafite que impedem a progressão da fissura.

Carbono (C) variando de 1,8 a 4% em peso, e silício (Si) 1–3% em peso, são os principais elementos de liga do ferro fundido.Ligas de ferro com menor teor de carbono são conhecidas como aço.

O ferro fundido tende a ser frágil, exceto os ferros fundidos maleáveis.Com seu ponto de fusão relativamente baixo, boa fluidez, fundibilidade, excelente usinabilidade, resistência à deformação e resistência ao desgaste, os ferros fundidos tornaram-se um material de engenharia com uma ampla gama de aplicações e são utilizados em tubos, máquinas e peças da indústria automotiva, como cilindros. cabeçotes, blocos de cilindros e caixas de engrenagens.É resistente a danos por oxidação.

Os primeiros artefatos de ferro fundido datam do século V aC e foram descobertos por arqueólogos no que hoje é Jiangsu, na China.O ferro fundido foi usado na China antiga para guerra, agricultura e arquitetura.Durante o século 15, o ferro fundido foi utilizado para canhões na Borgonha, na França e na Inglaterra durante a Reforma.As quantidades de ferro fundido usadas para canhões exigiam produção em grande escala. A primeira ponte de ferro fundido foi construída durante a década de 1770 por Abraham Darby III e é conhecida como Ponte de Ferro em Shropshire, Inglaterra.O ferro fundido também foi utilizado na construção de edifícios.

Elementos de liga

As propriedades do ferro fundido são alteradas pela adição de vários elementos de liga ou ligas.Ao lado do carbono, o silício é o ligante mais importante porque força o carbono a sair da solução.Uma baixa porcentagem de silício permite que o carbono permaneça em solução formando carboneto de ferro e produzindo ferro fundido branco.Uma alta porcentagem de silício força o carbono a sair da solução, formando grafite e produzindo ferro fundido cinzento.Outros agentes de liga, manganês, cromo, molibdênio, titânio e vanádio neutralizam o silício, promovem a retenção de carbono e a formação desses carbonetos.O níquel e o cobre aumentam a resistência e a usinabilidade, mas não alteram a quantidade de grafite formada.O carbono na forma de grafite resulta em um ferro mais macio, reduz o encolhimento, diminui a resistência e diminui a densidade.O enxofre, em grande parte um contaminante quando presente, forma sulfeto de ferro, que evita a formação de grafite e aumenta a dureza.O problema com o enxofre é que ele torna o ferro fundido viscoso, o que causa defeitos.Para combater os efeitos do enxofre, é adicionado manganês porque os dois se formam em sulfeto de manganês em vez de sulfeto de ferro.O sulfeto de manganês é mais leve que o fundido, por isso tende a flutuar para fora do fundido e para a escória.A quantidade de manganês necessária para neutralizar o enxofre é 1,7 × teor de enxofre + 0,3%.Se for adicionada mais do que esta quantidade de manganês, forma-se carboneto de manganês, o que aumenta a dureza e o resfriamento, exceto no ferro cinzento, onde até 1% de manganês aumenta a resistência e a densidade.

O níquel é um dos elementos de liga mais comuns porque refina a estrutura da perlita e da grafite, melhora a tenacidade e equilibra as diferenças de dureza entre as espessuras das seções.O cromo é adicionado em pequenas quantidades para reduzir a grafite livre, produzir frio e porque é um poderoso estabilizador de carboneto;o níquel é frequentemente adicionado em conjunto.Uma pequena quantidade de estanho pode ser adicionada como substituto de 0,5% de cromo.O cobre é adicionado na panela ou no forno, na ordem de 0,5–2,5%, para diminuir o frio, refinar a grafite e aumentar a fluidez.Molibdênio é adicionado na ordem de 0,3–1% para aumentar o frio e refinar a estrutura de grafite e perlita;muitas vezes é adicionado em conjunto com níquel, cobre e cromo para formar ferros de alta resistência.O titânio é adicionado como desgaseificador e desoxidante, mas também aumenta a fluidez.0,15–0,5% de vanádio é adicionado ao ferro fundido para estabilizar a cementita, aumentar a dureza e aumentar a resistência ao desgaste e ao calor.0,1–0,3% de zircônio ajuda a formar grafite, desoxidar e aumentar a fluidez.

Em ferro fundido maleável, bismuto é adicionado, na escala de 0,002–0,01%, para aumentar a quantidade de silício que pode ser adicionado.No ferro branco, o boro é adicionado para auxiliar na produção de ferro maleável;também reduz o efeito de espessamento do bismuto.

Ferro fundido cinzento

O ferro fundido cinzento é caracterizado por sua microestrutura grafítica, que faz com que as fraturas do material tenham aspecto acinzentado.É o ferro fundido mais comumente usado e o material fundido mais utilizado com base no peso.A maioria dos ferros fundidos tem uma composição química de 2,5–4,0% de carbono, 1–3% de silício e o restante de ferro.O ferro fundido cinzento tem menos resistência à tração e ao choque do que o aço, mas sua resistência à compressão é comparável à do aço de baixo e médio carbono.Estas propriedades mecânicas são controladas pelo tamanho e formato dos flocos de grafite presentes na microestrutura e podem ser caracterizadas de acordo com as orientações da ASTM.

Ferro fundido branco

O ferro fundido branco apresenta superfícies fraturadas brancas devido à presença de um precipitado de carboneto de ferro denominado cementita.Com um menor teor de silício (agente de grafitização) e uma taxa de resfriamento mais rápida, o carbono no ferro fundido branco precipita do fundido como a fase metaestável cementita, Fe₃C, em vez de grafite.A cementita que precipita do fundido forma partículas relativamente grandes.À medida que o carboneto de ferro precipita, ele retira carbono do fundido original, movendo a mistura em direção a uma que está mais próxima da eutética, e a fase restante é a austenita de baixo teor de ferro-carbono (que, no resfriamento, pode se transformar em martensita).Esses carbonetos eutéticos são grandes demais para fornecer o benefício do que é chamado de endurecimento por precipitação (como em alguns aços, onde precipitados de cementita muito menores podem inibir [a deformação plástica], impedindo o movimento das discordâncias através da matriz de ferrita de ferro puro).Em vez disso, eles aumentam a dureza aparente do ferro fundido simplesmente em virtude da sua própria dureza muito elevada e da sua fração volumétrica substancial, de modo que a dureza aparente pode ser aproximada por uma regra de misturas.Em qualquer caso, oferecem dureza em detrimento da tenacidade.Como o metal duro constitui uma grande fração do material, o ferro fundido branco poderia ser razoavelmente classificado como cermet.O ferro branco é muito frágil para uso em muitos componentes estruturais, mas com boa dureza e resistência à abrasão e custo relativamente baixo, é usado em aplicações como superfícies de desgaste (impulsor e voluta) de bombas de polpa, revestimentos de carcaça e barras de elevação em esferas. moinhos e moinhos autógenos, esferas e anéis em pulverizadores de carvão e os dentes da caçamba de escavação de uma retroescavadeira (embora o aço martensítico fundido de médio carbono seja mais comum para esta aplicação).

É difícil resfriar peças fundidas espessas com rapidez suficiente para solidificar o fundido como ferro fundido branco até o fim.No entanto, o resfriamento rápido pode ser usado para solidificar uma casca de ferro fundido branco, após o que o restante esfria mais lentamente para formar um núcleo de ferro fundido cinzento.A fundição resultante, chamada defundição refrigerada, tem os benefícios de uma superfície dura com um interior um pouco mais resistente.

As ligas de ferro branco com alto teor de cromo permitem que peças fundidas maciças (por exemplo, um impulsor de 10 toneladas) sejam fundidas em areia, pois o cromo reduz a taxa de resfriamento necessária para produzir carbonetos através de espessuras maiores de material.O cromo também produz carbonetos com impressionante resistência à abrasão.Estas ligas com alto teor de cromo atribuem sua dureza superior à presença de carbonetos de cromo.A principal forma desses carbonetos é o M eutético ou primário₇C₃carbonetos, onde “M” representa ferro ou cromo e pode variar dependendo da composição da liga.Os carbonetos eutéticos formam-se como feixes de hastes hexagonais ocas e crescem perpendicularmente ao plano basal hexagonal.A dureza desses carbonetos está na faixa de 1500-1800HV.

Ferro fundido maleável

O ferro maleável começa como uma peça fundida de ferro branco que é então tratada termicamente por um ou dois dias a cerca de 950 °C (1.740 °F) e depois resfriada durante um ou dois dias.Como resultado, o carbono do carboneto de ferro se transforma em grafite e ferrita mais carbono (austenita).O processo lento permite que a tensão superficial transforme o grafite em partículas esferoidais em vez de flocos.Devido à sua menor proporção de aspecto, os esferóides são relativamente curtos e distantes um do outro, e têm uma seção transversal inferior em relação a uma fenda ou fônon em propagação.Eles também têm limites rombos, em oposição aos flocos, o que alivia os problemas de concentração de tensão encontrados no ferro fundido cinzento.Em geral, as propriedades do ferro fundido maleável são mais parecidas com as do aço-carbono.Há um limite para o tamanho de uma peça que pode ser fundida em ferro maleável, pois ela é feita de ferro fundido branco.

Ferro fundido dúctil