O que é o ferro fundido cinzento? Suas propriedades e aplicações

O ferro fundido cinzento é uma liga de ferro-carbono com um teor relativamente elevado de carbono e silício. O seu nome deriva da cor cinzenta única da sua superfície fracturada, que é causada pela exposição da grafite na sua microestrutura.

A origem do ferro fundido cinzento remonta à China, por volta do século V a.C., onde a tecnologia de fundição de ferro fundido foi desenvolvida pela primeira vez. Esta tecnologia foi introduzida na Europa por volta do século XV e foi subsequentemente avançada e amplamente aplicada durante a Revolução Industrial no século XVIII.

Propriedades do material ferro fundido cinzento

O desempenho do ferro fundido cinzento é determinado pela sua microestrutura única, que lhe confere várias propriedades de grande valor em aplicações industriais.

1. Capacidade de amortecimento

O ferro fundido cinzento tem uma excelente capacidade de amortecimento, que é a sua caraterística física mais proeminente. A estrutura de grafite em flocos no seu interior absorve e dissipa eficazmente a energia das vibrações mecânicas, demonstrando elevadas propriedades de amortecimento. Esta caraterística torna-o a escolha ideal para o fabrico de componentes que requerem elevada estabilidade e baixa vibração, tais como as bases das camas das máquinas-ferramentas.

2. Maquinabilidade

O material possui uma boa maquinabilidade. Esta facilidade de processamento deve-se à fase de grafite no seu interior, que actua como um lubrificante durante o corte. Reduz eficazmente a resistência ao corte e o desgaste da ferramenta, e ajuda a obter um acabamento de superfície suave. Esta é uma consideração de custo significativa para componentes que requerem pós-processamento extensivo.

3. Resistência ao desgaste

O ferro fundido cinzento apresenta uma boa resistência ao desgaste em condições de fricção por deslizamento. A sua microestrutura pode reter lubrificantes e formar uma película protetora na superfície de fricção, evitando eficazmente o contacto direto metal-metal e o desgaste.

4. Resistência à tração e ductilidade

A resistência à tração e a ductilidade são pontos fracos do ferro fundido cinzento. A grafite em flocos na sua microestrutura actua como um ponto de concentração de tensões, tornando o material sensível a cargas de tração e impacto e propenso a fracturas frágeis. Por conseguinte, estes são factores cruciais a considerar ao avaliar as aplicações.

5. Solidificação Contração

Durante o processo de fundição, a expansão do volume causada pela precipitação da grafite compensa parte da contração da solidificação. Isto resulta numa baixa taxa de contração líquida, tornando o ferro fundido cinzento adequado para a fundição de formas complexas com requisitos dimensionais rigorosos.

Densidade do ferro fundido cinzento

A densidade do ferro fundido cinzento é uma das suas propriedades físicas importantes, tipicamente influenciada pela sua composição química e taxa de arrefecimento. Uma vez que os diferentes tipos de ferro fundido cinzento têm variações na sua microestrutura (especificamente no teor de grafite e no tipo de matriz), a sua densidade irá flutuar dentro de um intervalo específico.

Aqui estão os valores de densidade de referência para diferentes graus de ferro fundido cinzento:

Ferro fundido cinzento Grau	Gama de densidades (g/cm³)	Gama de densidade (lb/in³)
HT100 (Classe 20)	7.00 – 7.15	0.253 – 0.258
HT150 (Classe 25)	7.10 – 7.25	0.256 – 0.262
HT200 (Classe 30)	7.20 – 7.35	0.260 – 0.266
HT250 (Classe 35)	7.25 – 7.40	0.262 – 0.267
HT300 (Classe 40)	7.30 – 7.45	0.264 – 0.269

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Nota:

Geralmente, à medida que o grau aumenta (indicando maior resistência e dureza), a densidade do ferro fundido cinzento também tende a aumentar.

A densidade pode variar ligeiramente consoante a composição química específica e os parâmetros do processo de fundição.

 

Microestrutura de ferro fundido cinzento

1. A estrutura do núcleo: Flocos de grafite e matriz metálica

• Visão geral: A microestrutura do ferro fundido cinzento é composta por duas partes principais: Flocos de grafite e o Matriz metálica. Estes dois componentes são os principais determinantes de todas as propriedades do ferro fundido cinzento.

2. Flocos de grafite

• Morfologia: A grafite existe sob a forma de flocos no interior da matriz metálica, muitas vezes com a forma de pétalas de rosa ou de vermes. O seu tamanho, número e distribuição influenciam significativamente o desempenho final do material.
• Impacto nas propriedades:
  • Impacto positivo: São estes flocos de grafite que conferem ao ferro fundido cinzento a sua excecional capacidade de amortecimento e maquinabilidade. Actuam como lubrificantes internos e absorventes de vibrações.
  • Impacto negativo: Os flocos também criam pontos de concentração de tensão no material, que são responsáveis pela redução significativa de resistência à tração e ductilidade de ferro fundido cinzento.

3. A matriz metálica

• Composição: A matriz metálica é a fase metálica que contém os flocos de grafite. É tipicamente composta por Ferrite, Pearliteou uma mistura de ambos.
• Impacto nas propriedades:
  • Matriz perlítica: Se a matriz for predominantemente perlítica, o ferro fundido cinzento terá maior resistência e dureza, embora a sua maquinabilidade possa ser ligeiramente inferior.
  • Matriz ferrítica: Uma matriz predominantemente ferrítica resulta numa menor dureza e resistência, mas o material terá uma melhor ductilidade.
  • Matriz mista: Ao controlar a taxa de arrefecimento e a composição química durante o processo de fundição, é possível obter uma matriz mista perlítica-ferrítica para equilibrar as propriedades do material.

4. Resumo: A ligação entre a microestrutura e as propriedades macroscópicas

Ponto de conclusão: As propriedades finais do ferro fundido cinzento podem ser ajustadas através do controlo da microestrutura tanto dos flocos de grafite como da matriz metálica. Por exemplo, o aumento do número de flocos de grafite aumenta a capacidade de amortecimento, enquanto o aumento da proporção de perlite melhora a resistência. Este é o princípio fundamental que permite aos engenheiros de fundição personalizar o desempenho do material através do controlo preciso da composição e do processamento.

 

Aplicação do ferro fundido cinzento

Graças à sua combinação única de propriedades - em particular a sua excelente capacidade de amortecimento, boa maquinabilidade e rentabilidade - o ferro fundido cinzento tem uma aplicação generalizada em várias indústrias. A sua utilização concentra-se normalmente em áreas onde a elevada resistência e a tenacidade ao impacto não são críticas, mas onde a estabilidade e a resistência ao desgaste são altamente valorizadas.

1. Indústria de máquinas e máquinas-ferramentas

No sector do fabrico de máquinas, o ferro fundido cinzento é um material fundamental. Os principais componentes, como camas, bases e estruturas de máquinas-ferramenta, são predominantemente fabricados em ferro fundido cinzento. Isto deve-se principalmente à sua excecional capacidade de amortecimento, que absorve eficazmente as vibrações geradas durante o processo de corte, garantindo assim a precisão do processamento e a qualidade da superfície. Outros componentes, como carcaças de caixas de velocidades e caixas de rolamentos, também são normalmente fabricados em ferro fundido cinzento.

2. Indústria automóvel

O ferro fundido cinzento desempenha um papel vital na indústria automóvel. As aplicações típicas incluem blocos de motor e cabeças de cilindro, que utilizam as boas propriedades de amortecimento do material para reduzir o ruído e a vibração do motor. A sua resistência ao desgaste é também crucial para o movimento recíproco dos pistões no interior dos cilindros. Além disso, o ferro fundido cinzento é amplamente utilizado para discos de travão, tambores de travão e volantes, beneficiando da sua boa resistência ao desgaste e condutividade térmica.

3. Indústria de tubagens e válvulas

Na indústria de tubos e válvulas, o ferro fundido cinzento é utilizado para fabricar vários tubos, acessórios e corpos de válvulas. Isto deve-se à sua excelente capacidade de fundição, que lhe permite ser facilmente moldado em formas complexas. A sua boa resistência à corrosão também o torna adequado para o transporte de meios como a água e o gás.

4. Máquinas agrícolas e de construção

Para máquinas agrícolas e de construção, o ferro fundido cinzento é frequentemente utilizado para contrapesos pesados. Isto aproveita a elevada densidade e o baixo custo do material. Por exemplo, os contrapesos para tractores e escavadoras são, em grande parte, feitos de ferro fundido cinzento. Outros componentes, como caixas de transmissão e tampas de engrenagens, também são normalmente produzidos com este material.

Em conclusão, as aplicações do ferro fundido cinzento demonstram claramente as suas vantagens em áreas de desempenho específicas. Apesar da sua limitada resistência à tração, o ferro fundido cinzento continua a ser um material indispensável em domínios em que o amortecimento, a maquinabilidade e o custo são requisitos críticos.