No ferro fundido cinzento, as grafitas por possuírem alta condutividade térmica, da ordem de aproximadamente 3-5 vezes maior que a do ferro puro, garante ao material uma boa condutividade térmica. Devido à orientação, proporcionam também uma excelente capacidade de amortecimento de vibrações. Isto se deve ao caminho que as ondas sonoras realizam ao se propagarem através do ferro, refletindo-se na superfície das grafitas e sendo enfraquecida pela sua transformação em calor. Deste modo, ao mesmo tempo em que se têm vantagens em razão da forma e orientação das grafitas na matriz, têm-se desvantagens com a redução da resistência mecânica, da ductilidade e da tenacidade do material. Isto é causado pelas descontinuidades provocadas na matriz pelos cantos agudos das grafitas, que agem como pontos de concentração de tensões e planos de propagação de trincas (DAWSON, 1993).
No ferro fundido nodular, as grafitas se apresentam na forma de nódulos, não gerando descontinuidades na matriz, o que ocasiona menor concentração de tensões. Esta disposição das grafitas confere ao material um aumento da sua resistência mecânica, ductilidade e tenacidade, em relação ao ferro cinzento. Como desvantagens, pode se citar: menor condutividade térmica da liga, em virtude das grafitas não se mostrarem interconectadas; menor capacidade de amortecimento e pior usinabilidade quando comparado com o ferro fundido cinzento e o CGI.
A fase da grafita no ferro fundido vermicular aparece na forma de verme ou de partículas vermiculares. Essas partículas são alongadas e orientadas aleatoriamente como no ferro fundido cinzento, porém são mais curtas, mais grossas, e de bordas arredondadas, o que confere propriedades superiores como: boa resistência mecânica, tenacidade e resistência a choques térmicos, amortecimento e condutividade térmica. A sua micro estrutura resulta em uma adesão mais forte entre a grafita e a matriz de ferro inibindo assim a iniciação e o crescimento de trincas e garantindo com isso propriedades mecânicas superiore. Além disso, observa-se que a superfície da grafita vermicular apresenta imperfeições, as quais aliadas à morfologia complexa (também conhecida como “coral”) resultam em adesão ainda mais forte com a matriz de ferro.
Na tabela 1 são apresentadas às propriedades mecânicas e físicas do ferro fundido vermicular, comparadas ao ferro fundido cinzento e nodular.
Tabela 1 - Propriedades mecânicas e físicas de ligas típicas de ferro fundido vermicular comparado com o cinzento e nodular
Na tabela 2 são apresentadas as composições químicas típicas para ligas de CGI com nodularidade de 0 a 20%. Segundo a Empresa Sintercast (2001), a especificação da composição química está ligada às propriedades mecânicas. Em outras palavras, ela será variável conforme a aplicação do produto e suas exigências.
Tabela 2 - Intervalos típicos de composição química do ferro fundido vermicular para nodularidade de 0 a 20% (SINTERCAST, 2001).
Efeitos da forma da grafita
As grafitas lamelares apresentam superfícies com poucas irregularidades, quando comparadas às grafitas vermiculares e promovem o início de fratura e sua propagação, fazendo que o ferro fundido cinzento se torne frágil. Já a morfologia do ferro fundido vermicular não permite a clivagem e nem a propagação de trincas. O início da fratura no ferro fundido vermicular se dá na interface da grafita vermicular com a matriz metálica. Este é um dos principais fatores para um maior desgaste da ferramenta de corte na usinagem do CGI. Porém, esta característica auxilia na maior resistência mecânica e maior tenacidade do CGI.
As grafitas lamelares apresentam superfícies com poucas irregularidades, quando comparadas às grafitas vermiculares e promovem o início de fratura e sua propagação, fazendo que o ferro fundido cinzento se torne frágil. Já a morfologia do ferro fundido vermicular não permite a clivagem e nem a propagação de trincas. O início da fratura no ferro fundido vermicular se dá na interface da grafita vermicular com a matriz metálica. Este é um dos principais fatores para um maior desgaste da ferramenta de corte na usinagem do CGI. Porém, esta característica auxilia na maior resistência mecânica e maior tenacidade do CGI.
Grafitas na forma nodular sempre estarão presentes na estrutura do ferro fundido vermicular. Com isto a resistência mecânica e a tenacidade aumentam. Por outro lado, a fundição, usinabilidade e condutividade térmica serão prejudicad. Sendo assim a microestrutura deve ser cuidadosamente especificada conforme exigência de desempenho do produto final e custos de produção.
Efeitos da Perlita
Os ferros fundidos são formados por partículas de grafita em uma matriz ferrítica ou perlítica. Durante a solidificação o material passa por uma faixa de temperatura na qual se encontra sob a forma austenítica. Abaixo de 725°C o material se transforma em ferrita ou perlita. Se a velocidade de resfriamento é lenta o suficiente e as condições químicas são favoráveis, os átomos de carbono saem da matriz para formar grafitas e a matriz se torna preferencialmente ferrítica. Entretanto, se os átomos não conseguirem sair da matriz ocorrerá à formação de perlita. A perlita é constituída por uma estrutura lamelar alternada entre ferrita e cementita (Fe3C). Essas lamelas de Fe3C reforçam a matriz tornando-as mais dura e resistente. A razão perlita/ferrita é outro fator determinante na resistência mecânica do material. Um aumento de 15% para a razão de 95% de perlita no ferro fundido vermicular mantendo as demais variáveis inalteradas, induz a um aumento de tensão de limite de resistência de 300 Mpa para 480 Mpa refletindo na usinagem.
Os ferros fundidos são formados por partículas de grafita em uma matriz ferrítica ou perlítica. Durante a solidificação o material passa por uma faixa de temperatura na qual se encontra sob a forma austenítica. Abaixo de 725°C o material se transforma em ferrita ou perlita. Se a velocidade de resfriamento é lenta o suficiente e as condições químicas são favoráveis, os átomos de carbono saem da matriz para formar grafitas e a matriz se torna preferencialmente ferrítica. Entretanto, se os átomos não conseguirem sair da matriz ocorrerá à formação de perlita. A perlita é constituída por uma estrutura lamelar alternada entre ferrita e cementita (Fe3C). Essas lamelas de Fe3C reforçam a matriz tornando-as mais dura e resistente. A razão perlita/ferrita é outro fator determinante na resistência mecânica do material. Um aumento de 15% para a razão de 95% de perlita no ferro fundido vermicular mantendo as demais variáveis inalteradas, induz a um aumento de tensão de limite de resistência de 300 Mpa para 480 Mpa refletindo na usinagem.
Blocos de motor em ferro fundido vermicular contendo 70% de perlita em sua matriz possuem a mesma dureza de um bloco em ferro fundido cinzento 100% perlítico (DAWSON et al., 1999).
A maior ou menor quantidade de perlita influencia a usinabilidade do ferro fundido, fato este estudado por Dawson através de fresamento (DAWSON, 2002) do ferro vermicular contendo de 50 a 95% de perlita em sua matriz. Os resultados mostraram que, em geral, a vida da ferramenta no fresamento cresce com o aumento do conteúdo de perlita. Isto, provavelmente, porque os elementos perlitizantes propiciam boa deformação e fácil clivagem e formação do cavaco em cortes interrompidos.
Nodularidade
Basicamente a forma da grafita, o teor de carbono e a perlita nos ferros fundidos tem sido de fundamental importância para determinar as propriedades mecânicas e físicas dos fundidos. As propriedades do CGI diminuem cerca de 20-25% com o aparecimento da grafita lamelar na estrutura e aumentam gradualmente quando a nodularidade excede 20%. Com o excesso de nodularidade, a condutividade térmica e usinabilidade são reduzidas e também o processo de fundição se torna mais difícil.
Basicamente a forma da grafita, o teor de carbono e a perlita nos ferros fundidos tem sido de fundamental importância para determinar as propriedades mecânicas e físicas dos fundidos. As propriedades do CGI diminuem cerca de 20-25% com o aparecimento da grafita lamelar na estrutura e aumentam gradualmente quando a nodularidade excede 20%. Com o excesso de nodularidade, a condutividade térmica e usinabilidade são reduzidas e também o processo de fundição se torna mais difícil.
A microestrutura dos ferros fundidos é influenciada pela velocidade de resfriamento, observando-se maiores porcentagem de nódulos em seções que resfriam rapidamente. Em peças complexas como bloco e cabeçotes, as velocidades de resfriamento de diferentes partes das peças dependem não só das espessuras de paredes, como também do modo como o metal preenche a peça.
Para a maioria dos blocos, as velocidades de resfriamento das paredes com espessuras a partir de cinco milímetros são suficientemente baixas para manter a taxa de nodularidade dentro da faixa de 0% a 20%. Espessuras menores, que resultam nodularidades na faixa de 30 a 50%, geralmente ficam restritas a paredes externas, aletas, não sendo prejudicial à fundibilidade ou ao desempenho (ANDRADE, 2005).
Referência bibliográfica:
=> ANDRADE, Cássio Luiz F. Análise da furação do ferro fundido vermicular com brocas de metal-duro com canais retos revestidas com TiN e TiAlN. 2005. 170 p. Tese (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
=> DAWSON, Dr. Steve. Compacted graphite iron: Mechanical and physical properties for engine design – Technical Publication, 1999.
=> DAWSON, Dr. Steve. Practical applications for compacted graphite iron. In: Compacted graphite iron - Machining Workshop, 5., 2002. Darmstadt. Anais… Darmstadt: PTW - Institute of Production and Machine Tools, 2002.
=> SINTERCAST AB. Practical applications for compacted graphite iron. Technical Publications. Sintercast Darmstadt PTW 2001.
até a próxima
Msc. Sander Gabaldo
