Ferros fundidos

É possível substituir o material de uma peça de aço para ferro fundido sem interferir na durabilidade e ainda reduzir o custo de produção?

Esse artigo é composto das seguintes seções:

1. O que são os ferros fundidos;
2. Ferro Cinzento;
3. Ferro Nodular;
4. Ferro Fundido Vermicular;
5. Conclusão.

1. O que são os ferros fundidos

Os ferros fundidos são ligas ferrosas com percentual de carbono em sua composição acima de 2,14% do peso do material. A maioria deles possuem de 3,0 a 4,5% de carbono e um ponto de fusão entre 1150 e 1300°C, menor que o dos aços.

O alto teor de carbono torna os ferros fundidos materiais frágeis quando comparados aos aços, dificultando sua conformação mecânica, por exemplo. Esse fato, aliado à facilidade de fundir o material, faz com que a fundição seja o processo de fabricação preferido quando se trata dessas ligas.

Nos ferros fundidos o carbono é encontrado como grafita. O surgimento desse composto depende da composição do material e da taxa de resfriamento da peça final, influenciando na microestrutura e nas propriedades mecânicas do material.

Essas ligas ferrosas são classificadas em 5 tipos principais, de acordo com sua microestrutura. Nesse artigo trataremos dos ferros cinzentos, nodulares e vermiculares.

2. Ferro Cinzento

Microestrutura

Teor de carbono: 2,5 a 4,0%;

Teor de silício: 1,0 a 3,0%;

Flocos de grafita envolvidos de uma matriz de ferrita alfa ou perlita;

O sufixo cinzento é dado à esse ferro, pois na maioria dos casos a peça é fraturada justamente nos flocos, revelando uma secção acinzentada do material;

Prós

1. Boa resistência ao desgaste;
2. Possui grande resistência e ductilidade à compressão, por isso é bastante usado para absorção de energia vibracional, podendo ser aplicado em bases e sapatas de máquinas e equipamentos pesados, como tornos e centros de usinagem, por exemplo;
3. Possuem excelente fluidez na temperatura de fundição, possibilitando a fundição de peças complexas;
4. Baixa contração percentual da peça fundida;
5. Entre os materiais metálicos eles são um dos mais acessíveis.

Contras

1. As extremidades dos flocos são delgadas e pontiagudas, formando pontos de acúmulo de tensão quando o material é solicitado por tração , sendo favoráveis para o início de uma trinca;
2. Deve-se atentar aos esforços gerados no processo de acabamento. Durante o brochamento de canais internos, por exemplo, é possível fraturar a peça sem um reforço específico.

Exemplos e aplicações

SAE G1800: Peças complexas de baixa solicitação mecânica como protetores, suportes ou carcaças de equipamentos leves;

SAE G2500: Caixas de transmissão, placas de embreagens, cabeçotes de cilindro, pistões e válvulas de baixa pressão;

SAE G4000: peças de motores diesel, carcaça de turbinas automotivas, cilindros e pistões.

3. Ferro Nodular

Microestrutura

Teor de carbono: 3,40 a 3,80%;

Teor de silício: 2,10 a 2,80%;

Teor de magnésio: 0,040 a 0,060%;

Adicionando magnésio e/ou cério ao ferro cinzento antes da fundição a grafita surge na forma de nódulos em uma matriz perlítica, dando origem ao ferro fundido nodular.

Prós

1. Mais resistente à tração e ao impacto que a maioria dos ferros;
2. Propriedade mecânica de resistência à tração que se assemelha ao aço SAE 1020 e ao ASTM A36;
3. Bastante dúcteis, podem apresentar de 10 a 20% de alongamento antes da ruptura;

Contras

1. Possui uma contração percentual maior que do ferro fundido cinzento;
2. Relativamente mais caro devido à precisão dos elementos de liga.

Exemplos e aplicações

NBR FE 38017: Peças submetidas à pressão, como corpos de válvulas e de bombas, mecanismos de direção, flanges;

NBR FE 42012: Peças para máquinas submetidas a cargas de choque e fadiga, discos de freio;

NBR FE 50007: Virabrequins e engrenagens;

NBR FE 60003: Engrenagens de alta resistência, componentes de máquinas, peças automotivas;

NBR FE 70002: Engrenagens de alta resistência, componentes de máquinas, peças automotivas

NBR FE 80002: Pinhões, engrenagens, trilhos

4. Ferro Fundido Vermicular

Microestrutura

Teor de carbono: 3,1 a 4,0%;

Teor de silício: 2,7 a 3,0%;

Teor de magnésio: 0,010 a 0,012%

Possui uma microestrutura intermediária entre o ferro cinzento e o nodular: apresenta mais de 80% de grafita em forma de estrias grossas (parecida com os flocos, mas sem arestas afiadas) e menos de 20% em nódulos.

Prós

1. Maior condutividade térmica;
2. Mais resistentes a choques térmicos;
3. Menor oxidação em altas temperaturas;
4. Maior resistência à tração que os ferros fundidos cinzentos, comparável com os nodulares.

Contras

1. Menos acessíveis devido ao extremo controle dos elementos de liga como o magnésio e o cério;
2. Ductilidade menor que dos ferros fundidos dúcteis.

Exemplos e aplicações

ASTM A842: Discos de freio para trens de alta velocidade, blocos de motores diesel modernos, coletores de escape e lingoteiras

5. Conclusão

Retomando a questão inicial: é possível substituir o material de uma peça de aço para ferro fundido sem interferir na durabilidade e ainda reduzir o custo de produção?

Sim, essa substituição é tecnicamente viável. Os ferros podem ser facilmente fundidos e são capazes de tomar geometrias complexas, muitas vezes impossíveis de serem usinadas em centros de 3 eixos, e ainda possuir resistência mecânica compatível com inúmeras aplicações.

Para obter a peça final fundida é necessário uma ferramenta, que pode variar dependendo do processo de fabricação. No geral, os métodos que utilizam moldes colapsáveis são os mais acessíveis. Para isso é necessário ter um modelo que pode ser fabricado em um centro de usinagem, por exemplo.

Muitas vezes é possível projetar o modelo de tal modo que a peça fundida não necessite de processos de acabamento com usinagem. Nos piores casos, para finalizá-la, basta uma furadeira de bancada ou um torno. Essa fator pode reduzir o custo da peça final e então viabilizar o produto.