O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono com teor de carbono variando de 2,5% a 4%, normalmente excedendo 2,11%. É composto por diversos componentes, incluindo ferro, carbono e silício, podendo também conter impurezas como manganês, enxofre e fósforo, que são mais prevalentes do que no aço carbono.
Os tipos de ferro fundido são classificados principalmente com base na forma do carbono e na morfologia da grafite presente. A seguir estão os principais tipos de ferro fundido:
Ferro Fundido Branco: O carbono existe na forma de cementita (Fe3C) e a superfície de fratura é branca prateada. É frágil e raramente é usado sozinho. O ferro fundido branco é um produto intermediário para a fabricação de ferro fundido maleável, e o ferro fundido resfriado com uma camada superficial de ferro fundido branco é comumente usado para rolos.
Ferro fundido cinzento: Todo ou a maior parte do carbono existe na forma de grafite, que é escamosa. Esse tipo de ferro tem diferentes aplicações dependendo do formato do grafite, como ferro fundido cinzento comum (grafite escamoso) e ferro fundido vermicular (grafite tipo verme).
Ferro fundido maleável: A grafite existe na forma floculenta, obtida pelo recozimento de ferro fundido branco de determinada composição em altas temperaturas por um longo período. Suas propriedades mecânicas, principalmente tenacidade e plasticidade, são superiores às do ferro fundido cinzento.
Ferro fundido dúctil: A grafite existe na forma esférica, obtida por tratamento de esferoidização antes do vazamento do ferro fundido. Este tipo de ferro não só possui propriedades mecânicas superiores às do ferro fundido cinzento e do ferro fundido maleável, mas seu processo de fabricação é mais simples que o do ferro fundido maleável. Além disso, suas propriedades mecânicas podem ser melhoradas através de tratamento térmico.
Ferro Fundido Vermicular: O grafite existe na forma de um verme e possui boas propriedades mecânicas e de processamento.
Ferro fundido de liga: Para melhorar as propriedades mecânicas ou físicas e químicas do ferro fundido, uma certa quantidade de elementos de liga pode ser adicionada para obter liga de ferro fundido. Este tipo de ferro inclui uma variedade de ligas de ferro fundido especiais resistentes à corrosão, ao calor e ao desgaste.
Tipos de ferro fundido
De acordo com as diferentes formas de carbono
De acordo com as diferentes formas de carbono no ferro fundido, o ferro fundido pode ser dividido em:
1. Ferro fundido branco
No ferro fundido, o carbono existe principalmente como cementita, com apenas uma pequena quantidade dissolvida na ferrita.
Sua fratura tem aspecto branco prateado, por isso é conhecido como ferro fundido branco.
Atualmente, o ferro fundido branco é utilizado principalmente como matéria-prima na siderurgia e como base para a produção de ferro fundido maleável.
2. Ferro fundido cinzento
No ferro fundido, a maior parte ou todo o carbono existe como grafite em flocos e sua fratura apresenta uma cor cinza escuro. Como resultado, é referido como ferro fundido cinzento.
3. Mferro fundido otulado
No ferro fundido, parte do carbono existe como grafite, assim como o ferro fundido cinzento, enquanto a outra parte existe como cementita livre, semelhante ao ferro fundido branco.
Isso faz com que a superfície da fratura exiba manchas pretas e brancas, o que lhe valeu o nome de “ferro fundido manchado”.
Infelizmente, esse tipo de ferro fundido também é duro e quebradiço, o que o torna raramente utilizado em aplicações industriais.
De acordo com diferentes formas de grafite
De acordo com as diferentes formas de grafite no ferro fundido, o ferro fundido pode ser dividido em:
- Ferro Fundido Cinzento
No ferro fundido cinzento, o carbono existe como grafite em flocos.
- Ferro Fundido Maleável
O ferro fundido maleável é obtido pelo recozimento do ferro fundido branco de uma composição específica em altas temperaturas por um período prolongado. Como resultado, o carbono do ferro fundido maleável existe na forma floculenta.
Este tipo de ferro fundido apresenta propriedades mecânicas melhoradas, principalmente em termos de tenacidade e plasticidade, em comparação com o ferro fundido cinzento, daí o seu nome “ferro fundido maleável”.
3. Ferro dúctil
No ferro fundido, o carbono existe na forma de grafite esférica.
Isto é conseguido através de um tratamento de esferoidização antes do processo de fundição.
Este tipo de ferro fundido possui propriedades mecânicas superiores em comparação com o ferro fundido cinzento e o ferro fundido maleável. Além disso, seu processo de produção é mais simples que o do ferro fundido maleável e suas propriedades mecânicas podem ser ainda melhoradas por meio de tratamento térmico. Como resultado, seu uso na produção está se tornando cada vez mais difundido.
Classificação e designação de ferro fundido
O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono que contém mais de 2,1% de carbono.
É produzido pela refusão do ferro-gusa fundido (um componente do ferro-gusa siderúrgico) em um forno e pelo ajuste de sua composição pela adição de ferroligas, sucata de aço e ferro reciclado.
A principal diferença entre o ferro fundido e o ferro-gusa é que o ferro fundido passa por uma etapa secundária de processamento e a maior parte dele é fundida em ferro fundido.
As peças fundidas de ferro possuem excelentes propriedades de fundição e podem ser moldadas em formas complexas. Possuem também boa usinabilidade e são conhecidos por sua resistência ao desgaste e absorção de choques, além de seu baixo custo.
Designação do ferro fundido: (de acordo com GB5612-85)
Os códigos de ferro fundido são compostos pela primeira letra do alfabeto chinês, indicando suas características específicas.
Quando dois nomes de ferro fundido têm a mesma letra de código, eles podem ser diferenciados adicionando letras minúsculas após a letra maiúscula.
Para ferro fundido com o mesmo nome que requer classificação adicional, a primeira letra do Pinyin chinês representando as características de sua subclasse é adicionada ao final.
Descrição do nome, código e marca do ferro fundido:
| Nome de ferro fundido | Código/Grau | Exemplo de método de representação |
| Ferro fundido cinza | HT | HT100 |
| Ferro fundido de grafite vermicular | Rotina | RuT400 |
| Ferro fundido nodular | QT | QT400-17 |
| Ferro fundido maleável com coração preto | KHT | KHT300-06 |
| Ferro fundido maleável com coração branco | KBT | KBT350-04 |
| Ferro fundido maleável perlítico | KZT | KZT450-06 |
| Ferro fundido resistente ao desgaste | MT | MT Cu1PTi-150 |
| Ferro fundido branco resistente ao desgaste | KmBT | KmBTMn5Mo2Cu |
| Ferro dúctil resistente ao desgaste | KmQT | KmQTMn6 |
| Ferro fundido resfriado | LT | LTCrMoR |
| Ferro fundido resistente à corrosão | ST | STSi15R |
| Ferro dúctil resistente à corrosão | SQT | SQTAl15Si5 |
| Ferro fundido resistente ao calor | TR | RTCr2 |
| Ferro dúctil resistente ao calor | RQT | RQTA16 |
| Ferro fundido austenítico | NO | —- |
Nota: Uma série de números após o código na classe indica o valor da resistência à tração.
Nos casos em que existem dois conjuntos de números, o primeiro conjunto representa o valor da resistência à tração e o segundo conjunto representa o valor do alongamento.
Esses dois conjuntos de números são separados por um “um”.
Os elementos de liga são representados por símbolos de elementos internacionais. Se o conteúdo for igual ou superior a 1%, é representado como um número inteiro. Se o conteúdo for inferior a 1%, geralmente não é indicado.
Elementos comuns como C, Si, Mn, S e P normalmente não são marcados. Os símbolos e conteúdos dos seus elementos só são marcados se servirem a um propósito específico.
Uso de vários ferros fundidos
Ferro fundido branco
No ferro fundido branco, todo o carbono existe na forma de carbono permeante (Fe3C), resultando em uma superfície de fratura branca brilhante.
Por causa disso, é conhecido como ferro fundido branco.
No entanto, devido à alta concentração de Fe3C duro e quebradiço, o ferro fundido branco apresenta um alto nível de dureza, mas também é altamente frágil e difícil de processar.
Como resultado, não é comumente usado diretamente em aplicações industriais, exceto em algumas aplicações que exigem resistência ao desgaste sem impacto, como matrizes de trefilação e esferas de ferro para moinhos de bolas.
Em vez disso, é utilizado principalmente como matéria-prima para a fabricação de aço e produção de ferro fundido maleável.
Ferro fundido cinza
No ferro fundido, a maior parte ou todo o carbono existe como grafite em forma de folha em estado livre, resultando em uma superfície de fratura cinza.
O ferro fundido cinzento possui boas propriedades de fundição, é fácil de usinar, possui boa resistência ao desgaste, processos simples de fusão e dosagem e baixo custo, o que o torna amplamente utilizado para a produção de peças fundidas com estruturas complexas e peças resistentes ao desgaste.
O ferro fundido cinzento pode ser dividido em ferro fundido cinzento à base de ferrita, ferro fundido cinzento à base de ferrita perlita e ferro fundido cinzento à base de perlita com base em sua estrutura de matriz.
Devido à presença de grafite em flocos, o ferro fundido cinzento tem baixa densidade, resistência, dureza e plasticidade e tenacidade zero.
A existência desta grafite é semelhante à presença de muitos pequenos entalhes no substrato de aço, o que reduz a área de apoio e aumenta o número de fissuras, resultando em baixa resistência e baixa tenacidade no ferro fundido cinzento, tornando-o inadequado para processamento sob pressão. .
Para melhorar suas propriedades, certos inoculantes como ferrossilício e silicato de cálcio são adicionados ao ferro fundido antes da fundição para refinar a matriz de perlita.
Mferro admissível
O ferro maleável é feito de uma base de ferro fundido branco fundida a partir de uma liga de ferro-carbono com baixo teor de carbono e silício. Depois de passar por um recozimento prolongado em alta temperatura, a cementita se decompõe em aglomerados de grafite floculenta, resultando em um tipo de ferro fundido branco grafitado.
O ferro fundido maleável pode ser dividido em dois tipos com base em sua microestrutura após tratamento térmico: ferro maleável com núcleo preto e ferro maleável perolado. A estrutura do ferro fundido maleável com núcleo preto é principalmente uma base de ferrita (F) com grafite floculenta, enquanto a estrutura do ferro fundido maleável perlítico é principalmente uma matriz perlítica (P) com grafite floculenta.
O terceiro tipo é o ferro fundido maleável com núcleo branco, que possui uma estrutura que depende do tamanho da seção. Para seções pequenas, a matriz é ferrita, enquanto para seções maiores, a área superficial é ferrita com o centro sendo perlita e carbono recozido.
O ferro fundido de inoculação é produzido quando a grafite fica fina e distribuída uniformemente após o tratamento de inoculação.
Ferro dúctil
Antes de vazar o ferro fundido (ferro-gusa nodular), um agente esferoidizante, comumente feito de ferrossilício ou magnésio, é adicionado para esferoidizar a grafite no ferro fundido. A adição do agente esferoidizante melhora muito a resistência à tração, o limite de escoamento, a plasticidade e a resistência ao impacto do ferro fundido nodular. Isso ocorre porque o carbono (grafite) na matriz do ferro fundido existe em forma esférica, melhorando seu efeito de divisão na matriz.
O ferro fundido nodular tem diversas vantagens, incluindo resistência ao desgaste, absorção de choque, bom desempenho de processo e baixo custo. Essas vantagens levaram ao seu uso generalizado na substituição do ferro fundido maleável, bem como de algumas peças de aço fundido e aço forjado, como virabrequins, bielas, rolos e eixos traseiros de automóveis.
Como os elementos de liga melhoram o desempenho do ferro fundido?
Os elementos de liga comuns em ligas de ferro fundido incluem silício, manganês, fósforo, níquel, cromo, molibdênio, cobre, alumínio, boro, vanádio, titânio, antimônio e estanho. Esses elementos melhoram o desempenho do ferro fundido através de vários mecanismos:
- Silício (Si): Como elemento benéfico, promove a grafitização, melhorando as propriedades mecânicas e a resistência ao desgaste das peças fundidas.
- Manganês (Mn): Refina a estrutura do grão, melhorando assim as propriedades mecânicas.
- Fósforo (P) e Enxofre (S): Embora normalmente sejam consideradas impurezas, elas podem melhorar a usinabilidade sob certas circunstâncias.
- Outros elementos de liga como Níquel (Ni), Cromo (Cr), Molibdênio (Mo), Cobre (Cu), Alumínio (Al), Vanádio (V), Titânio (Ti), Antimônio (Sb) e Estanho (Sn): A adição desses elementos aumenta significativamente a resistência, dureza, resistência ao desgaste, resistência à oxidação e resistência à corrosão do ferro fundido.
Além disso, a inclusão de elementos de liga pode alterar a estrutura interna do ferro fundido, levando a novas mudanças de fase, melhorando assim o desempenho do seu processo, como termoplasticidade, deformabilidade a frio, usinabilidade, temperabilidade e soldabilidade. Por exemplo, o silício e o carbono juntos promovem a grafitização, aumentando a compactação e a tenacidade das peças fundidas, reduzindo a tendência para a boca branca, estabilizando a austenita e refinando a grafite e a perlita.
Ao melhorar as propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência à oxidação e resistência à corrosão do ferro fundido, os elementos de liga melhoram o desempenho geral da liga de ferro fundido.
Quais são as aplicações detalhadas e características de desempenho do ferro fundido branco em ferro fundido?
O ferro fundido branco, nomeado por sua superfície de fratura branco-prateada, é um tipo de ferro fundido que não precipita grafite durante o processo de cristalização. Esse tipo de ferro fundido possui grande quantidade de cementita livre em sua estrutura, resultando em alta dureza (geralmente acima de HB500), mas também é muito frágil. Devido à sua alta dureza e resistência ao desgaste, além de seu baixo custo, o ferro fundido branco é uma escolha viável para aplicações resistentes ao desgaste, apesar de ser considerado muito frágil para muitos componentes estruturais.
Os principais campos de aplicação do ferro fundido branco incluem peças resistentes ao desgaste, como ferramentas agrícolas, bolas de moagem, peças de moinhos de carvão, lâminas de máquinas de jateamento, peças de bombas de polpa, tubos de areia de fundição e a camada externa de rolos de laminação duros a frio. Além disso, é utilizado como matéria-prima para a siderurgia e como blank para a produção de ferro fundido maleável. Especificamente, o ferro fundido branco de manganês, tungstênio e o ferro fundido branco de tungstênio e cromo são usados para peças que requerem usinagem mecânica e condições com grandes cargas de impacto, desgaste abrasivo de baixa tensão e desgaste abrasivo de retificação de alta tensão, respectivamente.
Em termos de características de desempenho, o ferro fundido branco é duro e quebradiço, não é fácil de usinar e raramente é usado diretamente para fundir peças. Seu carbono existe inteiramente na forma de cementita (Fe3C), fazendo com que possua propriedades mecânicas superiores às do ferro fundido cinzento e do ferro fundido maleável, e seu processo de produção é relativamente simples. Porém, devido à sua fragilidade, o ferro fundido branco não suporta trabalho a frio ou a quente e só pode ser utilizado diretamente no estado fundido.
O ferro fundido branco, com sua alta dureza e resistência ao desgaste, desempenha um papel importante em cenários de aplicação específicos, embora sua fragilidade limite sua aplicação em uma faixa mais ampla.
Quais são as diferenças específicas nas propriedades mecânicas entre o ferro cinzento e o ferro maleável?
As diferenças específicas nas propriedades mecânicas entre o ferro cinzento e o ferro maleável refletem-se principalmente nos seguintes aspectos:
Morfologia da grafite: A grafite no ferro cinzento tem a forma de flocos, enquanto a grafite no ferro maleável é semelhante a um verme. Esta diferença na morfologia da grafite leva a diferenças nas propriedades mecânicas. A grafite em flocos confere ao ferro cinzento um certo grau de fragilidade, enquanto a grafite em forma de verme ajuda a melhorar a tenacidade do material.
Propriedades mecânicas: Devido à diferença na morfologia do grafite, as propriedades mecânicas do ferro maleável são geralmente superiores às do ferro cinzento. As propriedades mecânicas do ferro maleável situam-se entre o ferro dúctil e o ferro cinzento, o que significa que é mais forte que o ferro cinzento, mas não tão forte quanto o ferro dúctil.
Desempenho de fundição: O desempenho de fundição do ferro maleável está entre o ferro cinzento e o ferro dúctil. Isso indica que o ferro maleável possui boa adaptabilidade e flexibilidade no processo de fundição, capaz de atender às demandas de diversos cenários de aplicação.
Sensibilidade à composição química: Comparado ao ferro cinzento, o ferro maleável tem um impacto menor nas propriedades mecânicas quando o teor de carbono e silício muda de hipoeutético para eutético. Isto implica que o ferro maleável tem maior flexibilidade no ajuste da sua composição química para otimizar o seu desempenho.
Capacidade de tratamento térmico: O ferro maleável pode passar por vários tratamentos térmicos, incluindo têmpera isotérmica, o que oferece a possibilidade de melhorar ainda mais suas propriedades mecânicas através do tratamento térmico.
Como é quantificado o impacto do processo de recozimento nas propriedades mecânicas do ferro fundido maleável?
A influência do processo de recozimento nas propriedades mecânicas do ferro fundido maleável pode ser quantificada das seguintes formas:
Melhoria na resistência e plasticidade: Através do tratamento de recozimento de grafitização, o ferro fundido maleável pode atingir maior resistência, plasticidade e resistência ao impacto, permitindo-lhe substituir o aço carbono até certo ponto. Comparado ao ferro fundido cinzento, o ferro fundido maleável apresenta melhor resistência e plasticidade, principalmente seu desempenho ao impacto em baixas temperaturas.
Melhoria na resistência ao desgaste e no amortecimento de vibrações: A resistência ao desgaste e o amortecimento de vibrações do ferro fundido maleável superam o aço carbono comum, resultado de sua microestrutura e composição química específicas. A otimização durante o processo de recozimento pode melhorar ainda mais essas propriedades.
Encurtamento dos ciclos de produção e redução no consumo de energia: Melhorias no processo de recozimento, como ajuste do teor de carbono e silício e adição de elementos como bismuto, boro e alumínio para tratamento de modificação, podem não apenas encurtar o ciclo de recozimento, mas também aumentar as taxas de qualificação do produto sem sacrificar o desempenho mecânico. Além disso, pesquisas sobre processos de recozimento rápido indicaram que a otimização das condições de recozimento pode efetivamente reduzir o consumo de energia e a poluição ambiental.
Aumento do grau de grafitização: Durante o processo de recozimento, a cementita eutética do ferro fundido branco sofre grafitização, processo crucial para aumentar a tenacidade e a plasticidade do ferro fundido maleável. A otimização do processo de recozimento de grafitização ajuda a melhorar as propriedades mecânicas da peça fundida.
Elevação na tenacidade à fratura: O processo de tratamento de pré-aquecimento e sua microestrutura têm um efeito significativo na tenacidade à fratura do ferro fundido maleável. Ao otimizar o tempo de recozimento e outros parâmetros relevantes do processo, a resistência à fratura do ferro fundido maleável pode ser efetivamente melhorada, o que é crucial para aumentar a sua vida útil e confiabilidade.
Qual é o processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil e seu papel específico na melhoria das propriedades mecânicas?
O processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil inclui principalmente esferoidização e inoculação, por meio das quais se obtém a grafite esférica. Este método de tratamento reduz efetivamente o efeito de fraturamento do grafite na matriz, melhorando significativamente as propriedades mecânicas do ferro fundido, incluindo plasticidade, tenacidade e resistência. Especificamente, o tratamento de esferoidização permite que a grafite exista numa forma esférica dentro do ferro fundido. Esta estrutura, em comparação com a tradicional grafite escamosa ou floculenta, é mais propícia à redução da concentração de tensões no material, melhorando o desempenho geral.
O papel específico do tratamento de esferoidização reside na melhoria da microestrutura do ferro fundido, levando a uma distribuição mais uniforme da grafite e reduzindo o risco de trincas e fraturas causadas pela concentração de tensões durante o uso. Além disso, a presença de grafite esférico melhora a resistência ao desgaste e o amortecimento de vibrações do ferro fundido, o que é especialmente importante para aplicações que precisam suportar cargas elevadas e condições de tensão complexas. Por exemplo, em peças como virabrequins de máquinas elétricas, o ferro dúctil é amplamente utilizado devido às suas excelentes propriedades abrangentes.
O processo de tratamento de esferoidização do ferro dúctil, ao alterar a forma do grafite, não só aumenta a plasticidade, tenacidade e resistência do ferro fundido, mas também ajuda a melhorar sua resistência ao desgaste e amortecimento de vibrações, melhorando assim o desempenho mecânico até certo ponto. Essas melhorias tornam o ferro dúctil um material com alta resistência, boa tenacidade e plasticidade. Seu desempenho abrangente é próximo ao do aço, tornando-o adequado para diversas aplicações de engenharia que exigem tensões complexas, alta resistência e boa tenacidade.
