por Msc. Sander Gabaldo
A tecnologia de ferros fundidos tem recebido continuamente importantes desenvolvimentos, tanto nos processos de fabricação como em materiais. Estes desenvolvimentos são resultantes das necessidades do mercado referentes à aplicação ou a redução de custos, que trazem como conseqüência a necessidade de uma atualização tecnológica de um material de muita tradição na indústria automobilística, que é o ferro fundido.
Segundo Guesser (1997) as principais características desejáveis a um material para a fabricação de um bloco de motor são:
- Elevada resistência mecânica
- Boa condutividade térmica
- Tenacidade
- Ductilidade
- Capacidade de amortecimento de vibrações
Atualmente, os materiais disponíveis para fabricação de blocos são: ferro fundido cinzento, ferro fundido vermicular e ligas de alumínio.
Considera-se ferro fundido a liga ferrosa com teor de carbono acima de, aproximadamente, 2%. Face à influência do silício nesta liga, o ferro fundido é normalmente considerado uma liga ternária Fe-C-Si, pois o silício está freqüentemente presente em teores superiores ao do próprio carbono (CHIAVERINI, 1996).
De acordo com Chiaverini (1996), os ferros fundidos mais conhecidos e utilizados podem ser divididos em cinco grupos principais brancos, cinzentos, maleáveis, nodulares e vermiculares. Devido aos requisitos do projeto, para a obtenção de blocos de motores utilizam-se apenas os ferros fundidos cinzentos e, mais recentemente, os ferros fundidos vermiculares.
Ferro Fundido Cinzento
O ferro fundido cinzento é uma liga Fe-C-Si. É empregado em larga escala pelas suas propriedades de fundição e baixo custo relativo. Possuem características como a fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. A faixa de composição do ferro fundido cinzento está compreendida entre os seguintes teores, conforme abaixo:
Elemento Químico Percentual (%)
- Carbono (C) 2,5 a 4,0%
- Silício (Si) 1,2 a 3,0 %
- Manganês (Mn) 0,3 a 1,0%
- Fósforo (P) 0,1 a 1,0%
- Enxofre (S) 0,05 a 0,25%
Por apresentarem fratura de cor cinza, denominam-se, classicamente, ferros fundidos cinzentos. Possuem a grafita na forma lamelar interconectada (figura 1) e isto lhes garante boa condutividade térmica, já que a grafita é um bom condutor térmico. Entretanto, a grafita disposta desta forma reduz a resistência mecânica, a ductilidade e também a tenacidade do material, pois provoca descontinuidades na matriz, assim como efeitos de entalhe. O ferro fundido cinzento é de fácil usinabilidade devido à baixa resistência à fadiga, a excelente condutividade térmica e também devido ao fato de ser extremamente frágil, o que possibilita a formação de cavacos curtos.
Figura 1. Micrografia óptica do ferro fundido vermicular atacada com nital e sentido de usinagem da ferramenta de corte.
Os ferros fundidos cinzentos são classificados pelas letras FC (ABNT) ou GG (DIN), seguidas de seu limite de resistência à tração (Mpa ou bar), por exemplo: FC-250 ou GG25.
Ferro Fundido Vermicular – CGI
O ferro fundido vermicular é um material com propriedades intermediárias entre o ferro fundido cinzento e o ferro fundido nodular (SAHM et al., 2002). Como no ferro fundido cinzento, as partículas da grafita do ferro fundido vermicular são planas, alongadas, orientadas aleatoriamente e interconectadas, diferentemente das grafitas do ferro fundido nodular em que elas se apresentam em formas de nódulos (WARRICK et al., 1999).
Contudo, conforme pode ser visto na figura 2.b, os vermículos são similares aos nódulos do ferro fundido nodular (figura 2.c), pois ambos são muito menores do que as lamelas de grafita do ferro fundido cinzento. Por outro lado a morfologia das grafitas do CGI é compacta e com extremidades arredondadas, o que torna a nucleação e propagação de trincas muito mais difícil que no caso de ferros com grafita lamelar. Já o ferro fundido cinzento apresenta grafitas na forma de lamelas, com cantos agudos e superfícies lisas (figura 2.a). Suas grafitas são interconectadas e sem orientação preferencial, formando uma rede quase contínua.
O CGI possui boas características de resistência mecânica, ductilidade, tenacidade, resistência a choques térmicos, amortecimento e condutividade térmica.
(a) (b) (c)
Figura 2.- Forma espacial dos tipos de grafitas dos ferros fundidos. (a) Ferro fundido cinzento. (b) Ferro fundido vermicular. c) Ferro fundido nodular.
Com relação ao ferro fundido cinzento, o ferro fundido vermicular oferece as seguintes vantagens (DAWSON, 2002):
- Redução de espessuras de parede para um mesmo carregamento;
- Redução do fator de segurança devido à menor variação das propriedades do fundido;
- Redução de fraturas frágeis na manufatura, montagem e serviço, devido à maior ductilidade;
- Maior resistência, sem a necessidade de recorrer a elementos de liga;
- Menor profundidade de rosca necessária, portanto, parafusos menores podem ser utilizados;
Ainda segundo Dawson, quando comparado ao ferro fundido nodular, as vantagens são:
- Melhor produção de peças complexas fundidas;
- Redução nas tensões residuais, devido à maior condutividade térmica e ao módulo de elasticidade menor;
- Melhor transferência de calor;
- Melhor usinabilidade;
A cada dia têm aumentado a participação do CGI no setor automotivo, mostrando sua eficiência para diversos componentes como bloco de motores, cabeçote, coletor e disco de freios, que são tradicionalmente produzidos de ferro fundido cinzento (GUESSER e GUEDES, 1997).
A produção de bloco de motores a diesel de CGI vem aumentando devido à melhor característica de combustão e desempenho do ferro fundido vermicular, quando comparado com o ferro fundido cinzento. O CGI também apresenta uma melhor resistência mecânica e assim altas pressões são possíveis nos motores de câmara de combustão. O único inconveniente para a utilização do CGI é a sua usinabilidade, quando comparado com o ferro fundido cinzento, gerando altos custos de produção.
Referências:
- CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica – Processos de fabricação e tratamento. Volume III, 2° edição 1996.
- 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.
- GUESSER, L. W. e GUEDES, L. C. Desenvolvimentos recentes em ferros fundidos aplicados à indústria automobilística. In: IX Simpósio de Engenharia Automotiva, AEA, São Paulo, 1997.
- SAHM, Dipl.-Ing. A; ABELE, Prof Dr.-Ing E; SCHULZ, Prof. Dr.-Ing. H. State of the art in CGI- Machining. Machining Workshop 2002 – Darmstadt- Germany – March 13-14/2002
- WARRICK, Robert J.; ELLIS, Gerald G.; GRUPKE; Clifforf C.; KHAMSEH, Amir R.; McLACHLAN, Theodore H.; GERKITS, Carrie. Development and application of enhanced compacted graphite iron for the bedplate of the new Chrysler 4.7 liter V-8 engine. International Congress and exposition – Detroit, Michigan – March 1-4, 1999.
Até a próxima.
Msc. Sander Gabaldo
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