O documento descreve as características do ferro fundido nodular, incluindo sua microestrutura composta por grafita em forma de nódulos esféricos inseridos em uma matriz de perlita ou ferrita, e como sua adição de magnésio promove essa morfologia nodular durante a solidificação. Também discute os efeitos da composição química, tratamentos térmicos e propriedades mecânicas resultantes.
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Introdução
O ferro fundido nodular
apresenta carbono na
forma de grafita nodular
como característica
dominante de
microestrutura.
A grafita nodular é obtida
pela adição de elementos
químicos e condições
especiais de fabricação,
que condicionam seu
crescimento.
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Introdução
Ao adicionar uma pequena quantidade de
magnésio e ou cério na composição do ferro
fundido cinzento (líquido) antes de moldá-lo,
produz-se uma microestrutura distinta e um
conjunto de propriedades mecânicas
diferenciadas.
A grafita ainda é formada, mas como nódulos ou
partículas de formato esférico em vez de veios.
A matriz em volta destas partículas pode ser
perlita ou ferrita, a depender do tratamento
térmico.
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Características
Grafita na forma de nódulos
Adição de magnésio ao ferro no estado líquido
Teores mais baixos de S e P (cinzento)
Ampla faixa de limite de escoamento com
razoável ductilidade
• Limite de Escoamento: tensão mínima necessária
para um metal sofrer deformação plástica.
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Características
O ferro fundido dúctil tem características
mecânicas que se aproximam do aço.
Devido à matriz em volta das esferas de grafita
ser contínua, esse material apresenta-se dúctil e
resistente em relação ao ferro fundido cinzento.
Com auxílios de tratamentos térmicos
adequados, esse material pode apresentar
propriedades mecânicas como ductilidade,
usinabilidade, além de resistência mecânica e a
corrosão melhores do que as de alguns aços
carbono.
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Características
Vantagens em relação ao cinzento:
Baixo ponto de fusão;
Boa fluidez e fundibilidade
Excelente usinabilidade
Boa resistência ao desgaste
Alta resistência, dutilidade e tenacidade;
Alta trabalhabilidade a quente
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Solidificação
A adição de pequenos teores de elementos como
Mg, Ca, Ce a um ferro fundido comum produz
grafita em forma de nódulos quase esféricos.
O magnésio retarda a formação inicial de grafita.
O ferro fundido branco solidifica com a formação
de cementita.
Depois da ação do magnésio, a cementita se
decompõe e a grafita se desenvolve por igual em
todas as direções.
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Solidificação
0,1% Mg é adicionado
ao ferro líquido
• 3 a 4%C e 1,8 a 2,8% Si
Mg – desoxidante e
dessulfurante
Na ausência de O e S
→ crescimento de
grafita nas direções
radiais→ grafita
esferoidizada
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Nodularização
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A maior quantidade de magnésio residual implica em
maior quantidade de grafita transformada,
influenciando nas propriedades do material.
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Nodularização
A transformação na grafita para a forma nodular
aumenta a resistência mecânica e o alongamento do
ferro fundido.
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Nodularização
Influência da
morfologia da
grafita na curva
tensão x
deformação de
diferentes tipos
de ferros
fundidos.
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Composição Química
Efeito da Composição Química na Estrutura e
Propriedades:
Carbono
• C – 3 a 4% (3,6 a 3,9%)
• Teor de C mais alto (cinzento) → alta densidade de nódulos
de grafita
• C > 4,6% → flotação de C
Silício
• Si – 1,8 a 2,8% (2,2 a 2,7%)
• ↑ Si → ↑ número de nódulos
• ↓Si → tendência ao coquilhamento
• ↓ ↓ Si → formação de C em excesso nas seções finas
aumenta a resistência da ferrita.
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Composição Química
Enxofre (S < 0,03%)
• ↑S → ↑Mg → grafita esferoidal
Fósforo - máx 0,10% ( abaixo de 0,05%)
• Forma a steadita → ↓ tenacidade e dutilidade
Outros elementos
• Pb, Ti, Al, Sb, Zr → formação de grafita em veios
• Sn, V, B, Cr, As → devem ser evitados → favorecem a
formação da perlita ou carboneto de ferro
• Mn, Ni e Mo → utilizados nos ferros fundidos
nodulares ligados (melhorar as propriedades)
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Composição Química
Influência dos elementos químicos na forma da
grafita:
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Forma da grafita Elemento
Esferoidizada Magnésio, Cálcio, Terras raras (Cério,
Lantânio, etc.), Itrio
Neutra Ferro, Carbono, Elementos de liga em
geral
Forma degenerada
(antiesferoidizada)
Alumínio, Arsênio, Bismuto, Telúrio,
Titânio, Chumbo, Enxofre, Antimônio.
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Composição Química
Taxa típica de carbono e silício para ferros
fundidos nodulares de boa qualidade.
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Tratamento Térmico
A estrutura normal do ferro fundido nodular no
estado fundido é constituída de matriz perlítica com
grafita esferoidal: pode, contudo, apresentar ferrita
ou cementita livre.
Muitas peças de ferro nodular são empregadas no
estado fundido. Outras, entretanto, são tratadas
termicamente.
O tratamento térmico usual é o que decompõe a
cementita produzindo ferrita e mais grafita
esferoidal, mediante um recozimento ou
normalização. Pode-se também temperar e revenir
à dureza desejada.
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Tratamento Térmico
De qualquer modo, as operações de tratamento térmico a que
usualmente podem ser submetidos são as seguintes:
• Alívio de tensões – Para reduzir ou eliminar as tensões residuais das
peças fundidas de grandes dimensões ou de seção transversal não
uniforme. Normalmente, a temperatura não pode ultrapassar 600ºC e o
tempo é de cerca de 20 minutos por centímetro de secção. Não há efeito
sobre as propriedades mecânicas.
• Recozimento – Para obtenção de matriz ferrítica, mediante aquecimento
a 900ºC, resfriamento até 700ºC, em uma hora, seguido de resfriamento
até 650ºC, à razão de 3ºC/h. Esse tratamento é tratamento é também
chamado de “recozimento para ferritização”, porque produz uma matriz
essencialmente ferrítica.
• Normalização – Depois de austenitizado o material (à temperatura de
900ºC, durante o tempo necessário), ele é resfriado no forno até 785ºC e
em seguida resfriado ao ar. Se o resultado final apresentar dureza muito
elevada, pode-se proceder a um revenido posterior, até a dureza
desejada, revenido esse que também reduz as tensões internas.
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Tratamento Térmico
• Têmpera e Revenido – O material é austenitizado pelo
aquecimento entre 870 e 900ºC. Segue-se resfriamento
em óleo, geralmente e revine-se até a dureza desejada.
As estruturas resultantes correspondem à da martensita
revenida e o objetivo do tratamento é conferir ao
material resistência mecânica, dureza e resistência ao
desgaste maiores.
• Têmpera superficial – Pode-se aplicar tanto o processo
por chama como por indução, para obter-se uma dureza
superficial da ordem de 60 HRC e uma superfície de
elevada resistência ao desgaste. A temperatura da
superfície deve atingir 900ºC durante alguns segundos,
seguindo-se resfriamento imediato por jato de água.
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Tratamento Térmico
• Austêmpera – Mediante esse tratamento, têm-se obtido substancial
melhora das propriedades do ferro nodular. No processo, o aquecimento
para austenitização, é feito entre 850 e 925ºC, de modo a que haja
transferência suficiente de carbono à matriz austenítica. Como as zonas
ferríticas do ferro nodular são isentas de carbono, para que o material se
torne endurecível, é necessário, na austenitização, que haja suprimento
de carbono à ferrita ou austenita (acima da temperatura crítica), o que
ocorre por solução e difusão, a partir dos nódulos de grafita. Esse
processo depende da temperatura e do tempo. Por isso, às vezes se
austenitiza a temperaturas mais elevadas. Os tempos variam de duas a
quatro horas, dependendo da secção, justamente para conseguir-se a
máxima solubilização do carbono e resultante endurecibilidade. A
temperatura de formação de bainita varia entre 235 e 400ºC, para
nodular sem elementos de liga. Na faixa de 235 e 270ºC obtém-se bainita
inferior ou acicular, de alta dureza, alta resistência mecânica ao desgaste,
com moderadas tenacidades e resistência ao choque. As temperaturas
mais altas de austêmpera – 300 a 400ºC – produzem bainita mais dúctil e
tenaz.
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Microestrutura Típica
Microestrutura da matriz depende de diversos
fatores como no ferro fundido cinzento, sendo
as principais:
• Formato da peça
• Velocidade de resfriamento
• Composição química
• Tratamento térmico
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (microscópio eletrônico)
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (microscópio eletrônico)
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (aumento de 100x).
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Microestrutura Típica
Micrografias de ferro fundido nodular com (a) matriz ferrítica numa amostra
recozida, (b) matriz de perlita fina numa amostra normalizada, e (c)
matriz martensítica numa amostra temperada. Ataque Nital.
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: nódulos de grafita (sem ataque)
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42. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico
Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (com ataque)
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43. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico
Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (sem ataque)
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44. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico
Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (com ataque)
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular em estado bruto de fusão: perlita, ferrita e nódulos de grafita
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular normalizado a 850°C e resfriado a ar: perlita, ferrita e nódulos de
grafita .
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular normalizado a 850°C e resfriado ao ar forçado: perlita, ferrita e
nódulos de grafita .
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48. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico
Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular normalizado a 880°C e resfriado a ar: perlita, ferrita e nódulos de
grafita .
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49. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico
Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular normalizado a 910°C e resfriado a ar: perlita, ferrita e nódulos de
grafita .
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Microestrutura Típica
Ferro fundido nodular normalizado a 940°C e resfriado a ar: perlita, ferrita e nódulos de
grafita .
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OBRIGADO!
Abril de 2011
brenno.senai@sistemafieg.org.br
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