Princípios baiscos Fundição_Ferros Fundidos_completo.pdf

Ferros Fundidos
Scheid, A.
DEMEC-UFPR

Processo de Fabricação de Ferros Fundidos
Etapas básicas:
1- Fusão
2- Inoculação
3- Adição de elementos de liga
4- Vazamento
1- Fusão:
“o processo de fusão consiste de uma transformação física do estado sólido para o
líquido, acompanhado de uma série de reações de oxidação-redução”.
Os materiais que formam a carga determinarão a composição química da liga de ferro e
da escória formada. Uma vez que a composição afeta a microestrutura e as propriedades
mecânicas do ferro fundido, deve ser controlado o teor de elementos de liga e impurezas
na composição inicial da carga.
Pode ser realizado em: forno cubilô, indução coreless ou indução a canal e forno elétrico
a arco.

Forno cubilô
A combustão se processa mais intensamente na
região situada logo acima do cadinho, onde a
oxidação do coque é efetuada pelo oxigênio do ar
soprado. Nesta zona, chamada de zona de
oxidação, os gases são altamente oxidantes e
nela ocorre também a oxidação do silício e
manganês, que também é acompanhada pela
liberação adicional de calor, superaquecendo o
ferro fundido que goteja no cadinho (detalhe B).
Abaixo da zona de oxidação está localizado o
cadinho que, em condições normais apresenta
gases em equilíbrio com o carbono do coque e
consiste quase exclusivamente de CO (detalhe A).
Acima da zona de oxidação está situada a zona de
redução e nela ocorre a redução do CO2 para CO,
havendo uma queda de temperatura (detalhe C).
Dentro desta zona que, em geral, a fusão inicia e
termina (zona de fusão).

Forno Indução coreless ou indução a canal

Forno Elétrico a Arco

Dessulfuração
O Carbureto de Cálcio é utilizado para a produção de ferros fundidos de baixo teor de
enxofre, e maior valor agregado. Pode ser aplicado diretamente na carga de fornos cubilô
substituindo, parcialmente, o coque metalúrgico e calcário e permitindo o uso de coque
metalúrgico nacional de maior teor de cinzas, além de uma maior participação de sucata
na carga metálica, implicando "maiores temperaturas de bica", aumento de produtividade
e do rendimento de ligas metálicas.
Na produção de ferro fundido nodular, é fundamental que o ferro fundido esteja
dessulfurado, de modo a aumentar-se o potencial de nodularização das ligas de
magnésio.
É comum também a utilização em fornos de indução e, como agente dessulfurante, pode
ser realizada a injeção de CaC2 através de lança refratária usando-se o nitrogênio como
gás de transporte, ou ainda em processos de plug poroso, através da adição direta.

Matéias-primas na produção de ferros cinzentos:
As principais matérias-primas usadas na produção de ferros fundidos cinzentos são o
ferro-gusa, a sucata de aço e ferros fundidos, retornos de processo e ferro ligas.
O ferro-gusa é uma das principais fontes de ferro utilizadas na produção dos ferros
fundidos e apresenta teor de carbono entre 3,2 e 4,6% e teor de silício entre 0,5 e 3,0%,
podendo apresentar variações de lote para lote.
Controles usualmente adotados na produção de ferros fundidos cinzentos:
- Análise Química
- Pirometria
- Metalografia
- Ensaios Mecânicos
- Prova de Coquilhamento

Inoculação:
A inoculação é definida com o a última adição de silício ligas ao metal fundido a fim de
produzir mudanças na distribuição da grafita, melhorias nas propriedades mecânicas e
redução da tendência ao coquilhamento.
O propósito central da inoculação é aumentar o número de núcleos no metal fundido de tal
maneira que a solidificação eutética, especialmente precipitação de grafita, possa iniciar
com uma mínima quantidade de super-resfriamento.

Inoculação:
O balanço é de ferro / m = máximo valor.
Desempenho Si Al Ca Ba Ce TER Ti Mn Sr Outros
Padrão
46-50 0,5-1,25 0,6-0,9 --- --- --- --- --- --- ---
74-79 1,25m 0,5-1,0 --- --- --- --- --- --- ---
74-79 0,75-1,5 1,0-1,5 --- --- --- --- --- --- ---
Intermediário
46-50 1,25m 0,75-1,25 0,75-1,25 --- --- --- 1,25m --- ---
60-65 0,8-1,5 1,5-3,0 4-6 --- --- --- 7-12 --- ---
70-74 0,8-1,5 0,8-1,5 0,7-1,3 --- --- --- --- --- ---
70-74 0,8-1,5 0,8-1,5 0,75-1,25 --- --- --- --- --- ---
42-44 --- 0,75-1,25 --- --- --- 9-11 --- --- ---
50-55 --- 5-7 --- --- --- 9-11 --- --- ---
50-55 --- 0,5-1,5 --- --- --- 9-11 --- --- ---
Elevado
36-40 --- --- --- 9-11 10,5-15 --- --- --- ---
46-50 0,50m 0,10m --- --- --- --- --- 0,6-1,0 ---
73-78 0,50m 0,10m --- --- --- --- --- 0,6-1,0 ---
Estabilizante 6-11 0,50m 0,50m --- --- --- --- --- --- 48-52 Cr

Inoculação: Influência do inoculante sobre o coquilhamento.

Elementos de Liga:
Na maioria dos casos, os elementos de liga adicionados aos ferros fundidos cinzentos
elevam a resistência mecânica e promovem a formação de matriz perlítica.
- Cromo
Pequenas adições de cromo (0,5 – 0,75% em peso) elevam a resistência mecânica de
ferros cinzentos. Também promove a formação de matriz perlítica, elevando a dureza. Por
ser elemento formador de carbonetos, pode levar ao coquilhamento de seções delgadas.
- Cobre
Eleva a resistência mecânica dos ferros cinzentos, por meio da promoção de matriz
perlítica, em teores entre 0,25 a 0,5% em peso. Cobre apresenta um efeito médio de
grafitização, não promovendo o coquilhamento de seções pouco espessas. Deve ser de
elevada pureza a fim de evitar adição de chumbo como contaminante.
- Níquel
Adição de até 2% induz pequeno aumento na resistência mecânica, não promove a
formação de carbonetos e tem efeito grafitizante mínimo. Não tem sido relatados
problemas de dissolução durante a sua adição.

Elementos de Liga:
Na maioria dos casos, os elementos de liga adicionados aos ferros fundidos cinzentos
elevam a resistência mecânica e promovem a formação de matriz perlítica.
- Molibdênio
Na faixa de 0,25 a 0,75% em peso induz significativamente uma elevação da resistência
mecânica como resultado do refinamento da grafita em veios e do endurecimento da
matriz. Não promove a formação de carbonetos.
- Estanho
Na faixa entre 0,025 e 0,10% em peso é um elemento estabilizador do microconstituinte
perlita. Promove aumento da resistência em ferros fundidos que contém ferrita na matriz,
por meio do aumento da fração de perlita. Deve-se cuidar com contaminações de
antimônio, bismuto e chumbo que podem vir com este elemento. Portanto, deve ser
preferido o estanho puro.
- Vanádio
Adicionado em pequenas quantidades, o vanádio eleva a dureza e a resistência mecânica.
Este elemento adicionado promove a manutenção da dureza durante recozimento.

Elementos de Liga

- Vazamento:
A temperatura do metal fundido, a limpeza e as técnicas de vazamento são variáveis
essenciais no controle do vazamento de ferros fundidos cinzentos.
Primeiramente, a remoção da escória e da borra (dross) da superfície do banho de metal
líquido reduz o potencial de formação de defeitos tipo inclusões.
Cada técnica de vazamento deve permitir que o operador mantenha um fluxo constante de
metal, suficiente para assegurar que os canais estejam cheios até o fim do vazamento.
O metal fundido deve apresentar suficiente superaquecimento a fim de permitir o completo
enchimento do molde, evitando assim a geração de defeitos relacionados à temperatura. A
fluidez do ferro fundido é diretamente relacionada ao superaquecimento, assim finas
seções precisam de maior superaquecimento em relação a seções espessas para um
adequado preenchimento.
Ferros fundidos vazados com insuficiente superaquecimento apresentam cavidades
parcialmente preenchidas, enchimento incompleto do molde, bolhas de gás e
coquilhamento.

Defeitos:
Rechupes podem ser isolados ou interconectados. Em muitos casos, podem ser vistas
dendritas de solidificação.
Fatores que levam a rechupes
1- falta de rigidez do molde (alargamento do
molde levando a falta de alimentação)
2- Composição inadequada (carbono baixo,
fósforo)
3- temperatura de vazamento incorreta
(muito elevada, uma vez que haverá maior
contração e alterará dimensionalmente os
moldes de areia)
4- elevado grau de nucleação (uma vez que
a expansão da grafita é maior, levando a
alteração dimensional dos moldes)

Porosidades:
Surge da temperatura baixa de vazamento, sendo mais encontrados nas últimas peças
vazadas na corrida da panela. Teor excessivo de manganês e enxofre promove a
formação do defeito.
Sequência de formação:
1- à medida que a temperatura do metal
dimunui, sultefo de manganês se forma no
metal,
2- o sulfeto então flota para a superfície
onde se mistura à escória (silicato de ferro
e manganês) da panela, criando uma
escória de elevada fluidez,
3- Esta escória entra na cavidade do molde,
reage com a grafita que precipita na reação
eutética e resulta na evolução de monóxido
de carbono (CO), formando a porosidade.

Porosidades:

Porosidades:
Porosidades de hidrogênio são menores e esféricas,
com 3 mm ou menos em diâmetro. Este defeito é
associado à presença de alumínio que promove a
dissociação do vapor de água, elevando o teor de
hidrogênio do metal líquido. Umidade excessiva no
molde e falta de elementos ativos com base em
carbono, favorecem a porosidade por hidrogênio.
Forno e panela úmidos, longo tempo de vazamento e
contato com o molde através de canais de ataque,
bem como vazamento turbulento contribuem para a
geração deste defeito.

Porosidades:
Nitrogênio em teor acima de 80 ppm (20 a 80 ppm são teores normais), resulta na sua
liberação durante a solidificação, causando a formação de bolhas interdendríticas e
rechupes.
As fontes mais comuns de nitrogênio são moldes e machos que contém resinas com
elevado teor de nitrogênio e carbono.
O efeito do nitrogênio pode ser neutralizado pela adição de titânio entre 0,02 e 0,03 % em
peso.

Porosidades:
A presença do chumbo é associada à alteração na morfologia da grafita. Em geral,
contaminação com chumbo resulta em grafita fina e ramificada (spiky) sobre os veios
normais de grafita.

Matérias-primas na produção de ferros fundidos nodulares
A grafita esferoidal é obtida pelo controle do teor de magnésio entre 0,04 e 0,06% em peso.
Magnésio é um elemento altamente reativo, combinando prontamente com oxigênio e
enxofre.
Para obtenção de economia de magnésio e limpeza do metal, o teor de enxofre do ferro
tratado deve ser baixo (preferencialmente < 0,02%). Isto pode ser obtido em fornos elétricos,
pela fusão de cargas compostas por sucata de aço ou ferro gusa de qualidade especial,
fornecido para a produção de ferros fundidos nodulares, juntamente com sucata de ferro
fundido nodular ou retornos de processo.
A fusão em forno cubilô também é possível, entretanto, o tratamento de dessulfuração
deverá ser realizado de forma contínua ou em bateladas, antes de realizar o tratamento com
magnésio. Isso evita o excesso de consumo de magnésio e de formação de escória de difícil
remoção e que pode gerar defeitos no produto fundido.

Quando o objetivo for produzir um ferro fundido nodular com otimizada resistência
mecânica, ductilidade e tenacidade, os materiais da carga deverão ser escolhidos com
baixos teores de elementos residuais, especialmente os que promovem a formação de
matriz perlítica.
Baixo teor de manganês é necessário para alcançar ductilidade no estado como fundido
e facilitar o tratamento térmico de produção de matriz ferrítica. Nestes casos, é necessário
usar sucata de aços de estampagem profunda e ferro gusa de qualidade especial para a
produção de ferros fundidos nodulares.
A norma ISO 9147 especifica dois graus de ferro gusa adequados à produção de
nodulares, grau 3.1 (base para nodular – grafita esferoidal) e grau 3.2 (base para nodular
– grafita esferoidal com alto manganês).
Grau %C %Si %Mn %P %S
3.1 3,5 – 4,6 <3,0 <0,1 <0,08 0,03 máx.

Valores típicos de elementos contaminantes presentes nas cargas usadas na produção de
ferros fundidos nodulares.
Materiais da Carga
Ferro Gusa de alta
pureza
Aço estampagem
profunda
Elementos Contaminantes, %

Composição Química em Ferros Fundidos Nodulares
- Carbono
Nas práticas de fusão com forno elétrico, o carbono é oriundo do ferro gusa, carburizantes
e sucata de ferros fundidos. A carburização de sucatas de aço é realizada por meio da
adição de grafita de baixo enxofre ou coque grafitizado, sendo a taxa de dissolução e
recuperação dependente da pureza da fonte.
Em fornos cubilô, o carbono também é derivado do coque da carga. Valores ótimos de
carbono estão na faixa de 3,4 a 3,8% em peso, dependendo do teor de silício.
Acima desta faixa existe o risco de flotação da grafita, especialmente em seções
espessas e aumento da expansão térmica do fundido na solidificação, levando a defeitos
especialmente na fundição em areia verde.
Abaixo do limite inferior da faixa, podem ocorrer defeitos de falta de preenchimento
adequado do molde e também tendência a formar carbonetos em seções finas.

- Composição Química em Ferros Fundidos Nodulares
- Silício
É adicionado pelos materiais da carga, como sucata de ferros fundidos, ferro gusa e ferro
ligas. Um pequeno teor é adicionado durante a inoculação na forma de ferro-silício. A faixa
visada está entre 2,0 e 2,8% e teores abaixo do limite mínimo induzem maior ductilidade
nos ferros tratados térmicamente, mas risco de formação de carbonetos no estado como
fundido.
Elevado teor de silício reduz a tendência a formar carbonetos em seções finas, mas eleva
a temperatura de transição dúctil-frágil.
- Carbono Equivalente (CE)
Carbono, silício e fósforo considerados em conjunto determinam o Carbono Equivalente
(CE) do ferro fundido, sendo dado por: CE = %C + (Si + P)/3
Quando CE é igual a 4.3, o ferro fundido terá composição e estrutura de solidificação
eutética, sendo o desvio deste valor um indicativo do teor do eutético presente. Quando
CE é menor que 4.3, haverá uma quantidade de dendritas de solidificação formadas e,
quando for maior, haverá nódulos primários de grafita na estrutura.

Teor
de
Silício,
%
Carbono Total, %
Porisidade
Carbono Total + 1/2 Si =
3,9
Carbono Total + 1/3 Si =
4,55
Alta tendência ao
coquilhamento
Flotação da Grafita
Melhor faixa para
Nodulares

- Manganês
A principal fonte de manganês é a sucata de aço adicionada à carga. Este elemento
deverá ser limitado de forma a obter a máxima ductilidade.
- Para ferros fundidos nodulares ferríticos no estado como fundido, o teor deverá ser
menor que 0,2% em peso.
- Para os casos em que o ferro fundido será tratado térmicamente para a geração de
matriz ferrítica, o teor deverá ser menor que 0,5 % em peso.
- Para ferros fundidos com matriz perlítica, o teor poderá chegar a 1% em peso.
Em teores mais elevados, pode levar a microsegregação, podendo levar (em seções
espessas) à formação de carbonetos em contornos de grão, que promove baixa
ductilidade, baixa tenacidade e microestrutura perlítica.
- Magnésio
O teor de magnésio requerido para produzir grafita esferoidal está na faixa de 0,04 a
0,06% em peso. Se o teor de enxofre inicial for menor que 0,015%, teor de magnésio
entre 0,035 e 0,04% será suficiente. Baixo magnésio levará à formação de grafita
compacta e elevado teor à formação de defeitos de borra (dross).

- Enxofre
Em fornos cubilô o enxofre é oriundo do coque, devendo ser mantido em teor abaixo de
0,02% em peso antes do tratamento com magnésio. O teor final é, normalmente, menor
que 0,015%, com exceção dos ferros contendo cério, que leva à formação de sulfeto de
cério e eleva o teor de enxofre da liga. Teor de enxofre elevado é prejudicial pela formação
de escória e borra (dross), devendo ser dessulfurado com carbeto de cálcio até atingir o
valor máximo recomendado ou menos.
- Cério
Pode ser adicionado a fim de neutralizar elementos que prejudicam a esferoidização da
grafita, por meio da inoculação, sendo normalmente desejado entre 0,003 a 0,01% em
peso. Em alguns casos é indesejado por induzir a formação de grafita “Chunky” não
esferoidal (anômala), especialmente em seções espessas. Cério é adicionado na forma de
elementos de liga com magnésio ou em elementos inoculantes.

- Elementos anti-esferoidização:
Chumbo, antimônio, bismuto e titânio são elementos indesejáveis introduzidos como
elementos residuais da composição da carga e seus elementos podem ser neutralizados
pela adição de cério.
- Elementos que promovem a formação de perlita:
Níquel, cobre, manganês, estanho, arsênio e antimônio promovem a formação de perlita
em ordem crescente de potencial deste efeito. Cobre até 0,3% e estanho até 0,1% podem
ser adicionados quando a matriz perlítica for desejada.
- Alumínio
Deve ser evitado por induzir a formação de porosidades de hidrogênio subsuperficiais e
borra (dross). Este elemento é adicionado pela sucata de aço e ferro fundido,
principalmente quando pistões de motores descartados acompanham a sucata. Teor de
0,01% é suficiente para causar porosidade de hidrogênio.

- Fósforo
Normalmente mantido em teor inferior a 0,05% em peso, uma vez que promove a
formação de defeitos e reduz a ductilidade.
- Elementos que formam carbonetos
Cromo, vanádio e boro são formadores de carbonetos. Manganês pode acentuar este
efeito em seções espessas, promovendo maior estabilidade de carbonetos.
- Elementos que promovem a elevação da dureza
Níquel até 2% e molibdênio até 0,75% em peso elevam a habilidade de endurecimento
(temperabilidade) em tratamentos térmicos.

- Tratamento do ferro líquido
- Tratamento com Magnésio Metálico
A reação do magnésio metálico com o ferro líquido é
violenta. O magnésio é vaporizado e queima fortemente
ao ar. São necessárias válvulas apropriadas para
enclausuramento e um dos processos mais usados
adota um convertedor.

- Adição de Magnésio Ligas
A adição de liga de níquel contendo 14 a 16% de
magnésio pode ser adicionada durante a transferência
do metal para a panela ou pela imersão, não
apresentando reação violenta (certos casos especiais
usam teor de magnésio de até 4%).
Uma desvantagem é o aumento do custo devido ao
níquel e elevação do teor deste elemento. A maioria das
ligas ferro-silício adicionadas apresentam 3 a 10% em
peso de magnésio, apresentando reação leve a forte,
dependendo do teor de magnésio. A adição pode ser
feita por meio de um sino refratário ou adicionada por
meio do vazamento do ferro líquido sobre a liga
localizada no fundo da panela. Neste caso, a liga é
posicionada em um reservatório e coberto por uma
camada de pedaços de aço, sendo mais usado quando
a razão da altura da panela e do diâmetro é de 2:1 a fim
de conter a projeção de metal líquido.

- Tratamento no Molde (processo em molde)
A adição de magnésio ligas pode ser realizada no molde. A liga é, em geral, ferro-silício
contendo magnésio, que é colocado em uma câmara especial ou colocado no sistema de
alimentação e a liga dissolve conforme o ferro fundido é vazado. Nesta técnica a reação
ocorre dentro do molde e evita produção de fumos. Ligas com baixo enxofre (<0,01% S)
são usadas, a fim de evitar a formação de sulfetos e inclusões no fundido.
Controle do teor de magnésio
O controle rígido da quantidade de metal líquido e de aditivo adicionado é necessário.
Além disso, o teor de enxofre e a temperatura devem ser controlados, uma vez que
afetam o teor final do elemento. O rendimento de magnésio pode ser expresso por:
Rendimento = ((% Mgfinal) / (% Mgadicionado – (3/4) % S))*100
O sulfeto de magnésio formado deve ser removido da escória gerada na superfície do banho.
Valores típicos de rendimento são:
- 50% para liga com 16% Ni-Mg adicionado na panela,
- 40% para liga com 9% Fe-Si-Mg adicionado com cobertura de ferro,
- 60% para liga com 5% Fe-Si-Mg adicionado com cobertura de ferro,
- 50% para Mg puro adicionado em convertedor,
- 45% para processo em molde.

- Inoculação
Logo após o tratamento do ferro líquido com magnésio, o ferro é submetido a inoculação
final, algumas vezes chamada de pós-inoculação.
É normalmente realizado na panela com um inoculante granulado de ferro-silício com
75% Si ou, de forma mais geral, uma larga gama de ferro-silício ligas que contém de 60 a
80% de Si. A quantidade de inoculante adicionada está entre 0,25 e 1,0%.
O inoculante pode ser adicionado no fundo da panela antes do vazamento ou através de
um silo refratário, o mais próximo quanto for possível do momento do vazamento do
metal nos moldes. A agitação é necessária e pode ser conseguida por meio da injeção de
nitrogênio por meio de um plug poroso no fundo da panela.
A inoculação reduz o super-resfriamento na solidificação e auxilia a evitar a formação de
carbonetos na estrutura, especialmente em seções mais finas. Ela aumenta o número de
nódulos de grafita, aumentando a homogeneidade, auxiliando a formação de ferrita e
elevando a ductilidade. O efeito do inoculante é forte logo após a sua dissolução,
perdendo o potencial ao longo de 20 a 30 minutos. A taxa de perda de efeito é
dependente de elementos residuais, como cálcio, cério, alumínio, estrôncio, bário e
bismuto.

- Inoculação

- Inoculação
Inoculação no jato de vazamento
(mais eficaz).

- Vazamento
Recomendações:
- O metal da panela deverá ter a escória removida,
- O teor de magnésio deve ser mantido baixo, preferencialmente abaixo de 0,06%
- Canais de alimentação devem ser adequadamente dimensionados, de forma a
alimentar rapidamente o molde com mínima turbulência,
- Posicionar canais de alimentação o mais próximo da base do fundido,
- Adoção de filtros cerâmicos auxilia a reduzir inclusões e a proporcionar fluxo de metal
menos turbulento.
Temperatura e Velocidade de Vazamento
Gradientes de temperatura no fundido e vazamento de metal em temperatura baixa, leva
à formação de carbonetos nas extremidades das peças fundidas. Isto pode ser evitado
pelo vazamento em temperatura acima de 1315ºC para seções de 25 mm e acima de
1425ºC para fundidos com 6 mm de espessura de parede. Além disso, devem ser
adotadas extensões para os canais de vazamento e respiradores nos moldes.

- Vazamento

- Controle Metalúrgico da Produção de Ferros Fundidos Nodulares
Composição Química do Metal
Antes do tratamento com magnésio, deverá ser verificado o teor de enxofre do ferro
fundido (uma vez que é mais fácil coquilhar). O teor é facilmente determinado por meio
de um corpo de prova coquilhado avaliado por espectrometria. Quando for necessário,
carbono e enxofre poderão ser determinados com rapidez a partir da queima do material
em pó.
Indiretamente, carbono poderá ser estimado por análise térmica, bem como o grau de
super-resfriamento que indicará o nº de nódulos formados na solidificação.
Nodularidade e Número de Nódulos
O sucesso do tratamento com magnésio, teor de elementos indesejáveis e pós-
inoculação visando a obtenção de uma boa estrutura da grafita nodular e adequado
número de nódulos é geralmente determinada a partir de um corpo de teste, conforme
recomendado pela AFS (American Foundrymen´s Society), comitê 12K.

Nodularidade e Número de Nódulos
O molde é feito de areia endurecida, e consiste de um bloco central com duas orelhas
que são quebradas assim que o metal solidifica e as orelhas tenham resfriado a uma cor
vermelha opaca. Depois de resfriado até a temperatura ambiente, a orelha é cortada em
dois e preparada por lixamento e polimento e então analisada em microscópio. O número
de nódulos é contado em aumento de 100X em uma área (mm² ou pol²). A forma dos
nódulos é normalmente avaliada de acordo com a norma ISO 945 ou ASTM A247. O
número de nódulos e a forma também podem ser avaliados por técnicas de análise de
imagens, associadas ao microscópio ótico ou eletrônico.

Corpos de prova para teste mecânico
Visando confirmar o atendimento aos requisitos de norma para as propriedades
mecânicas, corpos de prova são usinados e ensaiados. Corpos de prova fundidos a partir
de barras de teste, fundidos em conjunto ou separados das peças, apresentam formato
de blocos de quilha, blocos Y ou barras horizontais como corpo de prova apêndice.
Quando existe acordo entre fornecedor e cliente, os corpos de prova poderão ser
retirados diretamente do fundido.

SOLIDIFICAÇÃO DOS DIFERENTES TIPOS DE FERROS FUNDIDOS

Classificação
Designação Comercial Fase Rica em C Matriz Fratura Estrutura Final
Cinzento Grafita Lamelar P Cinza Solidificação
Nodular Grafita Esferoidal P, F, A, M Prata-Cinzenta Solidificação + Tratamento Térmico
Grafia Compacta Grafita Vermicular F, P Cinza Solidificação
Branco Cementita P, M Branca Solidificação
Mesclado Grafita lamelar e
cementita
P Mesclada Solidificação
Maleável Grafita Coalescida F, P Prata-cinzenta Tratamento Térmico
Nodular Bainítico Grafita Esferoidal B Prata-cinzenta Solidificação + Tratamento Térmico

Metalurgia dos Ferros Fundidos
Os aspectos mais importantes da fabricação dos Ferros Fundidos
(fofos) são:
1- Composição Química
2- Taxa de Resfriamento
3- Tratamento do Ferro Líquido
4- Tratamento Térmico

Ferros Fundidos
%
Carbono
Aços
% Silício
Ferros Maleáveis
Ferros Brancos
Ferros
Cinzentos
Ferros Nodulares
Ligas ternárias
Ferro-Carbono-Silício
Carbono Equivalente:
C.E. = %C + 1/3 (%Si)
Exemplo:
%Carbono: 3,6
%Silício: 2,3
C.E. = 3,6 + 1/3 (2,3)
C.E. = 4,3%
Liga Eutética!!!

Metalurgia dos Ferros Fundidos Brancos
Recebem este nome devido à sua superfície de fratura (branca).
Não apresentam grafita em sua microestrutura. O Carbono está
presente na forma de Carbonetos (Fe,Cr)3C e (Cr,Fe)7C3.
São usualmente muito duros, o que resulta na excelente
resistência ao desgaste abrasivo.
Podem ser ferros brancos em toda seção (obtidos assim por
controle da composição) ou referidos como ferros coquilhados, ou
de estrutura obtida por resfriamento rápido do tipo Martensita com
carbonetos devido ao contato com o molde metálico ou de
carbono.
Existem diferenças entre a estrutura e composição para
os dois tipos.

Austenita
e
Líquido
 + L Austenita
Primária
inicia a
Solidificar
L
Fe3C começa a se
formar
Solidus
Solução sólida de
Carbono em Ferro 
1536

723
Temperatura
(ºC)
Perlita e
Ferrita
Perlita e
Fe3C
 + Fe3C
 + Fe3C
Aços
Temperatura
Ambiente
Ferros
Fundidos
0 0,4 0,8 1,3 3,0 4,3 5,5
6,67
Austenita
para
Perlita
Cementita
e
Ledeburita
Austenita
Primária e
Ledeburita
Nódulos de
Perlita em
fundo de
Cementita
Austenita - 
Cementita – Fe3C
Ferrita - 
L + Fe3C
Fe3C
1130
Solidus
Ledeburita
Ledeburita: Ao solidificar no eutético, ocorre a formação de um fundo de carbonetos (Fe3C) em dendritas de Austenita (com 2,0%C).
Ao resfriar abaixo de 723ºC, a austenita é transformada em Perlita, sendo a Ledeburita conceituada como: Nódulos de Perlita em fundo de Cementita.

Ferros Fundidos Brancos
Aplicações
- Cilindros Coquilhados para Laminação de Polímeros
- Revestimentos de Moinhos
- Moinhos de bola
- Equipamentos de Mineração
- Características:
- Boa Fluidez (fundibilidade) e Baixo custo
- Elevada Resistência ao Desgaste Abrasivo
- Difícil Usinagem
Ferro Fundido Branco Eutético

Ferros Fundidos Branco
Ferro Fundido Branco Hipoeutético Ferro Fundido Branco Hipereutético

Metalurgia dos Ferros Fundidos Cinzentos
A escolha da composição do ferro fundido está baseada nos
seguintes aspectos:
1- Forma e Distribuição requerida da Grafita
2- Estrutura de Carbonetos livres
3- Matriz desejada
Efeito dos Elementos de Liga:
Potencial grafitizante altamente positivo: Carbono, Chumbo, Fósforo, Silício,
Alumínio, Cobre e Níquel
Potencial grafitizante neutro: Ferro
Potencial grafitizante altamente negativo: Manganês, Cromo, Molibdênio e
Vanádio.

O aumento da taxa de resfriamento resulta em:
- refino da grafita e da estrutura da matriz (maior dureza e
resistência mecânica).
- eleva a tendência ao coquilhamento (maior dureza e resistência
mecânica)
Deve-se acertar a composição química a fim de prover o adequado
potencial grafitizante para uma dada taxa de resfriamento.
Se considerarmos uma composição fixa, à medida que
aumentamos a seção do componente, maior o coalescimento
da grafita e a razão perlita/ferrita diminui.

A – Irregular ao Acaso
C – Irregular Desigual D – Interdendrítica ao
Acaso
B – em Roseta
E – Interdendrítica
Orientada

O tratamento do Ferro líquido influencia as condições de
nucleação e crescimento durante a solidificação. A consequência é
a alteração da morfologia da grafita, resultando em diferentes
propriedades.
Tratamento do Ferro Líquido
É realizado pela inoculação de mínimas adições de elementos de
liga antes do vazamento. Os inoculantes são: Ferro-Silício,
Alumínio e Cálcio. Como efeito observa-se:
- Aumento do potencial grafitizante, pela redução do super-resfriamento.
- Refino da estrutura pelo grande número de células eutéticas formadas,
resultando em aumento da resistência.

Altera consideravelmente a estrutura da matriz, embora a forma e o
tamanho da grafita permaneça inalterado.
Poucos ferros Cinzentos são tratados termicamente, sendo os
tratamentos mais usuais:
- Recozimento para Alívio de Tensões,
- Recozimento para Redução da dureza.

Ferros Fundidos Cinzentos
Aplicações
- Discos de Freio e Blocos de Motor
- Eixos de Comando de Válvulas
- Hidrantes de Bombeiro
- Carcaças de Bombas
- Bases de Máquinas
Características:
- Boa Fluidez (fundibilidade) e Baixo custo
- Usinabilidade
- Resistência ao Desgaste (efeito da Grafita)
- Amortecedor de Vibrações
- Elevada resistência à compressão e baixa à tração
Amplitude
Tempo
Ferro
Cinzento
Aço
Ferro Nodular e Maleável

Grau / Classe ASTM A48 Carbono Total (CT) Si
20 3,40 – 3,60 2,30 – 2,50
30 3,10 – 3,30 2,10 – 2,30
40 2,95 – 3,15 1,70 – 2,00
50 2,70 – 3,00 1,70 – 2,00
60 2,50 – 2,85 1,90 – 2,10
Ferros Fundidos Cinzentos - Classes

Ferros Fundidos Cinzentos - Classes

Ferros Fundidos Cinzentos - Propriedades

Metalurgia dos Ferros Fundidos Nodulares
Em 1940 foi descoberto que a adição de elementos como
Magnésio, Níquel-Magnésio e Fe-Si-Mg poderiam esferoidizar a
Grafita.
Entre 20 e 30% da produção mundial de Ferros Fundidos é de
Nodular.
Os inoculantes utilizados são diferentes em relação aos Ferros
Cinzentos, apresentando Magnésio na composição.
Nº Células/cm² na solidificação:
Ferro Cinzento: 8 - 10
Ferro Nodular: 200 – 600

mesmos aspectos apresentados para os Cinzentos, entretanto, o
efeito da composição sobre a formação da Grafita é menor, haja
visto que o tratamento do ferro líquido é dominante nesta classe de
Ferros Fundidos.
Elementos que promovem a Esferoidização: Magnésio, Cálcio, Terras Raras,
(Cério e Lantânio).
Neutros: Ferro, Carbono e Ligas
Elementos Degeneradores da Grafita (Antiesferoidização): Alumínio, Arsênio,
Bismuto, Telúrio, Titânio, Estanho, Enxofre, Antimônio.

Grafita Esferoidal Teores ideais de Carbono e Silício
Elevada Temperatura de Transição ao
Impacto
Flotação da Grafita
Faixa Preferida
Excesso
Rechupes
Tendência a formar ferro Branco
Carbono Total, %
Silício,
%

Os ferros Nodulares são menos sensíveis ao coquilhamento, tendo
em vista o forte Tratamento do Ferro Líquido realizado para estas
ligas.
Líquido
Dendritas de Austenita
Crescimento
de Nódulos
Envolvidos
pela
Austenita
Final da Solidificação
Nódulos
Diretamente
do Líquido
Nódulos
sendo
envolvidos
pela
Austenita
Nódulos
sendo
envolvidos
pela
Austenita
Nódulos sendo envolvidos pela
Austenita
Nódulos
sendo
envolvidos
pela
Austenita
Nódulos
sendo
envolvidos
pela
Austenita
Nódulos
sendo
envolvidos
pela
Austenita

É realizado em dois estágios:
1- Modificação: consiste no tratamento do líquido com Magnésio ou
Magnésio-ligas antes do vazamento.
2- Inoculação: consiste em induzir a formação de grande nº de
núcleos de solidificação, promovendo a formação de inúmeros
nódulos de grafita. Os inoculantes são: Mg, Fe-Si-Mg, Ni-Mg.
Parâmetros Importantes do controle da Grafita:
Forma (grau de nodularização), Tamanho dos nódulos, Distribuição
e Nº nódulos/cm².

São extensamente aplicados aos ferros nodulares e alteram a
estrutura da matriz.
Os tratamentos mais usuais:
- Recozimento para Alívio de Tensões
- Recozimento para gerar matriz Ferritica
- Normalização para gerar matriz Perlítica
- Têmpera e Revenimento
- Austêmpera
- Têmpera Superficial.

Ferros Fundidos Nodulares
Aplicações
- Girabrequins e Mangas de Eixo
- Coletores de Escapamento
- Anéis de Pistão
- Rodas Dentadas
- Componentes de Bombas
Características:
- Alta resistência, tenacidade e ductilidade
- Boa Usinabilidade
- Alta Resistência ao Desgaste
- Fluidez boa
- Soldabilidade melhorada
- Baixo custo (superior ao cinzento)

Ferros Fundidos Nodulares - Classes

Metalurgia dos Ferros Fundidos Vermiculares
Os Ferros Vermiculares (ou de Grafita Compacta) possuem a
Grafita intermediária entre os ferros Cinzentos e Nodulares. Desta
forma, as propriedades são também intermediárias entre os dois
anteriores.
Desenvolvimento de motores Diesel de alto desempenho (mais
eficientes e menos poluentes) indicam necessidade de altas
pressões e temperaturas de trabalho, podendo levar os materiais
normais (Cinzento) a falhas prematuras.
Ferro de Grafita Compacta ou Vermicular.

mesmos aspectos apresentados para Cinzentos e Nodulares,
entretanto, para a obtenção dos ferros Vermiculares é
necessário combinar a adição de elementos Esferoidizantes
(Magnésio, Cálcio e Terras Raras) com elementos
Degeneradores da Grafita (Titânio e Alumínio).

Elevadas taxas de resfriamento devem ser evitadas, pois há
tendência ao coquilhamento.
É realizado em dois estágios:
1- Modificação: consiste no tratamento
do líquido com Magnésio ou Magnésio-
Titânio ou Cálcio-Cério antes do
vazamento.
2- Inoculação: Deve ser menos intensa
que nos nodulares, de maneira a evitar a
excessiva nodularização.
Espessura da Seção, Polegadas
Espessura da Seção, mm
Ferro Cinzento
Ferro Vermicular
Resistência
Mecânica
(MPa)
Resistência
Mecânica
(ksi)

Não são comuns tratamentos térmicos nos ferros Vermiculares.
Aplicações
- Peças para Motores Diesel, Carcaças de Caixas de Câmbio,
Eixos Excêntricos, Rodas Dentadas, Blocos de Motor, Moldes de
Ligoteiras, Coletores de Escapamento e Exaustores.
Características:
- Alta resistência,
- Tenacidade e Ductilidade superior aos Cinzentos
- Boa Usinabilidade
- Alta Resistência ao Desgaste
- Melhor resistência à Fadiga (em relação aos Cinzentos)

Comparação entre Ferros Fundidos
Nodular
Vermicular
Veios
Deformação 
Tensão
Trativa

(MPa)
Tensão
Trativa

(ksi)
Magnésio Residual %
Nodular
Veios
Vermicular
Grafita
%

Comparação entre Ferros Fundidos
%
da
máxima
resistência
à
tração
Magnésio Residual %
Nodularidade %
Tensão
-
MPa
Alongamento
%
Tensão de Fadiga
Resistência
Mecânica
Alongamento

Metalurgia dos Ferros Fundidos Maleáveis
Diferem dos anteriores pois apresentam estrutura do ferro fundido
Branco no estado como fundido. A estrutura consiste de
Carbonetos de Ferro em matriz Perlítica. Esta estrutura é então
tratada termicamente, resultando na decomposição dos
Carbonetos de Ferro e formação de Grafita.
A estrutura final é composta por Grafita e Perlita / Grafita, Perlita e
Ferrita / Grafita e Ferrita.

A escolha da composição do ferro fundido deve considerar a
formação de estruturas que permitam a rápida transformação por
tratamentos térmicos.
A razão Carbono/Silício deve ser controlada a fim de evitar a formação de grafita
diretamente da fundição. Por outro lado, esta razão influencia na decomposição
durante tratamento térmico.
Deve-se cuidar com a adição de elementos de liga que são fortes formadores de
Carbonetos como o Cromo, que resultará em dificuldade de decomposição na
Maleabilização.

São menos sensíveis a taxas de resfriamento, uma vez que não
são obtidos por fundição e sim, por tratamento térmico.
Visa o aumento dos números de núcleos disponíveis para a
formação da grafita pela decomposição no estado sólido. Pode ser
realizado de duas formas:
1- Adição de Magnésio, Telúrio, Bismuto e Cério, que induzem o aumento do
super-resfriamento na solidificação, resultando em estrutura mais refinada (maior
área entre fases Carboneto / Austenita) auxiliando a nucleação e decomposição.
2- Adição de elementos formadores de Nitretos, como Alumínio, Boro, Titânio e
Zircônio.

É o tratamento térmico que define a estrutura final dos ferros
Maleáveis. O tratamento é composto por dois estágios:
1- Decomposição dos Carbonetos em Grafita e Austenita,
2- Transformação da Austenita em Perlita, Ferrita ou misturas
destas.
•Alguns ferros Maleáveis podem ser
Temperados e Revenidos.
Temperatura,
ºC
Temperatura,
ºF
Tempo, h
1 2

Ferros Fundidos Maleáveis
Aplicações
- Bielas
- Diferenciais (transmissão)
-“Yokes” – Juntas e Mangas Universais
- Características:
- Alta resistência, tenacidade e ductilidade
- Boa Usinabilidade
- Fluidez (fundibilidade)

Metalurgia dos Ferros Fundidos Especiais
São ferros fundidos que apresentam mudanças drásticas na
microestrutura pela adição de elevado teor de elementos de liga. A
diferenciada Resistência ao Desgaste ABRASIVO é obtida pela
formação de Carbonetos de elevada dureza associados algumas
vezes a estruturas Martensíticas. À seguir algumas composições:
- Adições de 3,0 a 5,0% de Níquel e 1,5 – 2,5% de Cromo podem
resultar em Carbonetos (Fe,Cr)3C e estruturas mertensíticas
diretamente de fundição.
- Adições de 11,0 – 13,0% de Cromo podem resultar em
Carbonetos (Cr,Fe)7C3 de maior dureza em relação aos carbonetos
tipo Cementita. Adições de 4,0 – 16,0% de Manganês resultam na
formação de (Fe,Mn)3C, Martensita e Austenita Endurecível por
Deformação.

- Ferros Especiais Ligados para Alta Temperatura (Resistência
a Quente) são produzidos com diversas possibilidades:
Adições de 5,0% de Silício geram estruturas com Ferrita e Grafita,
Adições de 11 – 28% de Cromo pode gerar estrutura com Ferrita e
Carbonetos
Adições de 18% de Níquel e 5% de Silício resultam em estrutura
com Austenita e Grafita Esferoidal ou em Veios.
- Ferros Especiais Ligados Resistentes à Corrosão: São
produzidos a partir de ligas com elevados teores de elementos de
liga, como: Cromo > 28%, Níquel > 18% e Silício > 15%.

(a) Ferro fundido Cromo-Níquel Resistente ao Desgaste Abrasivo (Cr: 1,1 – 4%)
(b) Ferro fundido Cromo-Níquel Resistente ao Desgaste Abrasivo (Cr: 7,0 – 11,0%)

(a), (b) e (c) - Ferros fundidos Alto Cromo, Resistentes ao Desgaste Abrasivo (Cr: 15 – 25%)

Ferros Fundidos Especiais - Tipos

Ferros Fundidos Especiais
Aplicações
- Mineração (brocas para escavação)
- Moedores e Britadores
- Termoelétricas (moagem de carvão mineral)
- Características:
- Alta Resistência ao Desgaste Abrasivo
- Fluidez (fundibilidade)
- Elevada Resistência à Corrosão
- Estabilidade em Alta Temperatura.

Tratamentos Térmicos dos Ferros Fundidos
Objetivos:
Alívio de tensões provocadas pela solidificação
Obtenção de maior ductilidade e maior usinabilidade
Melhorar as propriedades mecânicas (resistência)
Promover a decomposição de carbonetos
Endurecimento
Principais Tratamentos:
Recozimento
Alívio de Tensões
Normalização
Têmpera e Revenimento
Endurecimento Superficial
Martêmpera
Austêmpera.
Temperatura

Tempo 
Estrutura
Acicular
Perlita
   + Grafita
Temperatura Crítica de Transformação

Recozimento de Ferros Cinzentos
É aplicado quando for desejada maior ductilidade e usinabilidade e, ao mesmo tempo, não há necessidade
de elevada resistência mecânica.
A microestrutura final da matriz é Ferrita, obtida pela decomposição dos carbonetos da perlita obtida
originalmente na solidificação.
Empregam-se dois diferentes ciclos de recozimento para os ferros fundidos Cinzentos:
1- Recozimento subcrítico: Consiste no aquecimento na faixa de 700 – 760ºC, encharque de duas horas (+
1h / 25 mm de seção) e resfriamento lento até a faixa de 300ºC em taxas de resfriamento não superiores a
100ºC/h.
2- Recozimento Pleno: Consiste na austenitização entre 800 e 900ºC, encharque de duas horas (+1h /
25mm de seção) e resfriamento até 700ºC em taxa de resfriamento que não deve exceder 40ºC/h. O ferro
fundido permanece a 700ºC por uma hora a cada 25mm de espessura. Resfria-se o fofo até 300ºC em
taxas de resfriamento não superiores a 100ºC/h. É usado quando elementos de liga estabilizadores da
perlita estiverem presentes, dificultando a obtenção de ferrita e decomposição dos carbonetos.
OBS: Quando estruturas coquilhadas estiverem presentes, pode ser necessário utilizar temperatura de
austenitização entre 900 e 950ºC.

Tratamentos Térmicos dos
Ferros Fundidos
Recozimento de Ferros Nodulares
Empregam-se três diferentes ciclos de recozimento para os
ferros fundidos nodulares:
1- Consiste no aquecimento na faixa de 900 – 950ºC, encharque
de uma hora (+1h / 25mm de seção) e resfriamento até 690ºC
permanecendo nesta por cinco horas, mais uma hora a cada
25mm de espessura. As taxas de resfriamento no forno não
devem ser superiores a 40ºC/h.
2- Consiste na austenitização entre 800 e 950ºC e resfriamento
até 650ºC com taxa de resfriamento não superiores a 19ºC/h,
seguido de resfriamento até a temperatura ambiente.
3- Consiste no aquecimento até 700ºC (subcrítico), encharque
por cinco horas (+1h / 25mm de seção). O resfriamento deve ser
no forno até 300ºC, com taxa de resfriamento inferior a 100ºC/h.
Ferro Fundido Nodular Ferrítico

Alívio de Tensões em Ferros Cinzentos e Nodulares
Emprega-se o alívio de tensões para minimizar as tensões surgidas no material em decorrência da
solidificação.
São utilizadas temperaturas entre 510 e 680ºC, resultando em pequenas alterações microestruturais e, em
consequência, pequena alteração nas propriedades. Quanto mais próxima de 680ºC for a temperatura,
maior a influência sobre as propriedades sendo, algumas vezes, indesejada a perda de resistência
mecânica.
Tempo de encharque: 1h + 1h/25mm de seção.
OBS: Para evitar o surgimento de novas tensões térmicas, recomenda-se o resfriamento lento até cerca de
300ºC.
Normalização de Ferros Cinzentos e Nodulares
Emprega-se a normalização para aumentar a resistência mecânica ou restaurar propriedades similares ao
estado como fundido, uma vez que podem ter perdido resistência mecânica como resultado de outros
tratamentos térmicos anteriores. Microestrutura usualmente obtida é a perlita fina.
Consiste no aquecimento para austenitização entre 870 e 950ºC por 1h + 1h a cada 25mm de espessura
(solubilização do carbono), seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente.

Têmpera e Revenimento em Ferros Cinzentos e Nodulares
Emprega-se a têmpera e revenimento para elevar a dureza e a resistência dos ferros fundidos.
Consiste no aquecimento para austenitização (850 – 930ºC), manutenção por 30 a 60 minutos a cada
25mm de seção e resfriamento rápido (em óleo) para obter microestrutura martensítica, seguido de
revenimento em temperatura mais baixa.
OBS: O tratamento de têmpera e revenimento em ferros cinzentos é mais crítico tendo em vista o efeito de
entalhe dos veios da grafita sobre a matriz.
Endurecimento superficial
O objetivo do endurecimento superficial visa o desenvolvimento de uma camada periférica de elevada
dureza, associada a um núcleo relativamente dúctil.
O aquecimento pode ser realizado por chama ou por indução e deve levar a região aquecida a temperatura
cima da zona crítica. Normalmente é subdividido em:
- “Spot Hardening” – Superfícies planas
- “Spin Hardening” – Superfícies cilíndricas
- “Endurecimento Progressivo” – Superfície cilíndrica ou plana.

Ferros Fundidos
Martêmpera em Ferros Cinzentos e
Nodulares
A Martêmpera tem como objetivo a obtenção de
microestrutura martensítica associada a um mínimo de
distorção.
Consiste no aquecimento para austenitização (800 –
930ºC), manutenção por 20 a 60 minutos a cada 25mm de
seção. O resfriamento é realizado em banho de sal na faixa
de 200 a 260ºC (acima do início da transformação
martensítica), permanecendo no patamar até a
homogeneização da temperatura e sem atingir a curva de
início de formação de bainita, sendo então resfriada até a
temperatura ambiente.
Placas de Martensita – PM
Martensita Fina – FM
Austenita e Ferrita Acicular – AF + A

Ferros Fundidos
Austêmpera em Ferros Cinzentos e
Nodulares
A Austêmpera não é realizado nos Cinzentos, sendo usual
nos Nodulares. Tem como objetivo a obtenção de elevada
dureza associada a resistência mais elevada ao impacto.
Consiste no aquecimento para austenitização (800 –
930ºC), manutenção por 20 a 60 minutos a cada 25mm de
seção. O resfriamento é realizado em banho de sal na faixa
de 230 a 450ºC, permanecendo no patamar até a
transformação parcial em Ferrita, resultando em estrutura
composta por Austenita e Ferrita, conhecida como
“Ausferrita”.
Estes ferros fundidos são conhecidos como ADI,
Austempered Ductile Iron ou Ferro Fundido Nodular
Austemperado.

Temperatura Acima da Crítica
 + Grafita
Perlita
( + Fe3C)
Estágio I
  H + 
Estágio II
H   + Fe3C
(Bainita)
Temperatura

Temperatura Ambiente
Tempo 
Resistência
à
Tração
(MPa)
Resistência
à
Tração
(ksi)
Alongamento %
Graus ASTM
Estrutura Martensítica
Estrutura Acicular
Estrutura Austemperada
A estrutura formada nos nodulares austemperados é
controlada pela transformação no estágio I do dia grama TTT.
A austenita transforma-se parcialmente em ferrita, que faz com
que a austenita não transformada (H) seja enriquecida em
Carbono. O Carbono estabiliza esta fase e evita a
transformação Martensítica ao final do resfriamento. O Silício
em teor elevado ajuda a evitar a formação de Carbonetos,
mesmo com teor maior que 2,0% na austenita (H).

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