Disciplina: Metalurgia Física – Parte II: Solidificação
Professor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgica
Aula 14: Solidificação de ferros fundidos
- Introdução
- Diagrama Fe-C
- O duplo equilíbrio Fe-C e Fe-Fe3C
- Influência dos elementos de liga
- Influência da velocidade de resfriamento
- Cuvas de resfriamento e análise térmica
- Classificação dos ferros fundidos
- Mecanismos de formação dos diferentes tipos de grafita
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Ferros Fundidos – Diagrama FeFe-C
Estável – forma
grafita
Metaestável –
forma cementita
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Solidificação de ferros fundidos
Ferro Fundido material fundido de maior consumo mundial.
Apresenta atributos não encontrados em nenhum outro material e
também é um dos metais mais baratos que se dispõe.
Vantagens:
- Baixo ponto de fusão
- Baixa contração
- Excelente usinabilidade
- Propriedades mecânicas bem definidas
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Solidificação de ferros fundidos
Ferros Fundidos ligas de Fe, C (2,5 a 4%) e Si (1 a 3%).
Ferros Fundidos apresentam reação eutética durante a
solidificação temperaturas de fusão mais baixas que outras ligas ferrosas
utiliza-se para fusão, equipamentos e processos diferenciados em
relação ao aço.
Transformações responsáveis pela formação dos constituintes das
ligas Fe-C estudada a partir do diagrama de equilíbrio Fe-C.
Não é um diagrama de equilíbrio completo representado até
6,7% de C forma com o Ferro o composto Fe3C que contém 6,67% de C.
Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de Carbono apresentam pouco ou
nenhum interesse comercial, devido à alta dureza e fragilidade que
apresentam.
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Solidificação de ferros fundidos
Ferros Fundidos – Formaç
Formação de Grafita
Formação de grafita verifica-se em regiões preferenciais do banho
metálico nucleação heterogênea (depende de efeitos externos).
Temperatura do eutético estável (austenita-grafita) mais elevada que a do
eutético metaestável (austenita-cementita) nucleação da grafita pode
ocorrer antes da nucleação da cementita (ou outros carbonetos).
Solidificação deveria iniciar pelo eutético estável (depende da
composição química, velocidade de extração de calor pelo molde e grau de
nucleação do banho).
Com pequeno número de centros efetivos de nucleação da grafita
aumenta distância onde o C terá que se difundir para alcançar esses
centros pode-se ter superresfriamento que dê origem a carbonetos
eutéticos.
Velocidade de extração de calor pelo molde elevada não haverá
tempo para difusão de C nos centros de nucleação pode-se atingir a
temperatura do eutético metaestável nucleação de carbonetos.
N°centros efetivos de nucleação para formação da gr afita solidificação segundo sistema estável e/ou metaestável.
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Solidificação de ferros fundidos
Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos
Formação de
Sistema Estável ⇒ austenita + grafita
Sistema
Metaestável
⇒
Formação de
austenita + Fe3C
⇒
Ferro
Fundido
Cinzento
⇒
Ferro
Fundido
Branco
Velocidade de Resfriamento
Fatores que influem
no Equilíbrio
Elementos de Liga
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Solidificação de ferros fundidos
Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos
1300
L
Temperatura (0C)
1260
L + Grafita
L + Feγγ
1220
Temperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Grafita
1180
L + Fe3C
1140
Temperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Cementita
1100
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
Carbono Equivalente (%)
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Solidificação de ferros fundidos
Ferros Fundidos – Solidificaç
Solidificação
Temperatura abaixo da qual
pode solidificar o euté
eutético
austenita + grafita
Temperatura abaixo da
qual pode solidificar o
euté
eut ético austenita +
cementita
Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/pintaude/arquivos/ME62H_FerroFundido.pdf
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Solidificação de ferros fundidos
Ferro Fundido Cinzento – Tipos de grafita
Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/pintaude/arquivos/ME62H_FerroFundido.pdf
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Solidificação de ferros fundidos
Influência dos Elementos de Liga
Si
⇒
Aumenta diferença entre
temperaturas de
⇒
equilíbrio Estável e
Metaestável
Grafitizante
⇓
Favorece a formação de
Ferro Fundido Cinzento
Cr
⇒
Diminui diferença
entre temperaturas de
equilíbrio Estável e
Metaestável
⇒
Estabilizador de
Carbonetos
⇓
Favorece a formação de
Ferro Fundido Branco
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Solidificação de ferros fundidos
Influência do Si no Eutético Fe-C
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Solidificação de ferros fundidos
Influências do Cr, do Si e do V nas temperaturas de
equilíbrio eutético em ferros fundidos
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Solidificação de ferros fundidos
Influência do 30 elemento na solubilidade do C no ferro
líquido, % em peso do elemento de liga
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Solidificação de ferros fundidos
Temperatura abaixo
da qual pode
solidificar o eutético
Austenita-Grafita
Temperatura (0C)
1160
1140
Temperatura abaixo
da qual pode
solidificar o eutético
Austenita-Cementita
1120
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
% de Silício
Si
⇒
Aumenta diferença entre
temperaturas de
equilíbrio Estável e
Metaestável
Grafitizante
⇓
Favorece a formação de
Ferro Fundido Cinzento
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Solidificação de ferros fundidos
Temperatura (0C)
1160
Temperatura abaixo
da qual pode
solidificar o eutético
Austenita-Grafita
1140
Temperatura abaixo
da qual pode
solidificar o eutético
Austenita-Cementita
1120
1100
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
% de Cromo
Cr
Diminui diferença
⇒ entre temperaturas
de equilíbrio Estável
e Metaestável
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Estabilizador de Carbonetos
⇓
Favorece a formação de
Ferro Fundido Branco
Solidificação de ferros fundidos
Inoculação de Ferros Fundidos*
* Adaptado de “Seminário apresentado pelo mestrando Rivio Arturo
Ramirez na disciplina Fundição dos metais e suas ligas - Semestre
2012/1”
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
Inoculação dos ferros fundidos introdução de pequenas
quantidades de material composto de partículas nucleantes no metal
fundido, pouco antes ou durante o vazamento deste, buscando controlar a
microestrutura final e, consequentemente, as propriedades mecânicas do
material [SANTOS 1976].
Nos ferros fundidos a inoculação é utilizada primeiramente para
evitar a formação de carbonetos na estrutura. Efeito da inoculação proporciona o aumento de núcleos disponíveis para a formação de grafitas.
Este aumento dos núcleos disponíveis reduz o superesfriamento
necessário na solidificação, facilitando a solidificação segundo o eutético
estável [FULLER, 1979].
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
A formação de uma matriz completamente ferrítica está relacionada
com a eficiência do inoculante utilizado e a velocidade de resfriamento no
estado sólido. A velocidade de resfriamento do estado sólido influencia na
velocidade de difusão do carbono da austenita para os nódulos de grafita,
tendendo a aumentar a quantidade de perlita na microestrutura, quanto
maior for esta velocidade.
O processo de inoculação influencia no número de nódulos, e
quanto maior o número de nódulos, menores serão as distâncias entre eles
e menores serão as distâncias que o carbono terá que percorrer, e portanto,
a difusão será facilitada.
De uma maneira geral, à medida que o superresfriamento aumenta,
o número de núcleos cresce e, consequentemente, o número de nódulos é
maior com uma grafita mais fina e de menor tamanho. [SANTOS, 1991]
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
ME de um F°F°cinzento sem
ME de um F°F°cinzento com
inoculação. 100X.
inoculação. 100X.
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
O efeito benéfico da inoculação pode ser entendido com
auxílio da figura abaixo, onde se observam curvas de resfriamento
em diferentes velocidades. Maiores velocidades de resfriamento formação de carbonetos.
Ferros Fundidos não inoculados forte tendência a se
solidificar segundo o eutético metaestável (envolvendo a formação de
dendritas de austenita e carbonetos, devido ao elevado
superresfriamento).
Resfriado
Resfriado +
Resfriado
lentamente
γ + grafita
rápido
γ + grafita
+ carboneto
rápido
carboneto
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
Objetivo da inoculação fornecer núcleos extras ao banho
[SANTOS 1989]. A existência de um número maior de núcleos potenciais
para a nucleação e crescimento da grafita permite a obtenção de uma
estrutura mais refinada, que resulta em melhores propriedades físicas e
mecânicas [OLAH, 1985].
Em Ferros Fundidos nodulares, onde o número de núcleos é
extremamente importante para as propriedades do material, a adição de
inoculantes ao banho tem por objetivo promover um aumento do número de
nódulos de grafita e do grau de nodularização, que é uma medida da
adequação da grafita à forma de uma esfera perfeita [SANTOS 1989].
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
Relatos da influência da adição de Fe-Si datam de 1906, quando
Outerbridge verificou o aumento das propriedades mecânicas no material ao qual
este fora adicionado. Meehen, em 1922, relatou que era possível controlar a estrutura
dos Ferros Fundidos inoculando o banho com Ca-Si [CHAVES, 1975]. Nos
subsequentes anos, diversos trabalhos foram publicados sobre o efeito da nucleação,
o processo de nucleação da grafita e as técnicas de inoculação na transferência do
metal para a panela de vazamento.
Nos anos 50 pesquisas revelaram que pequenas quantidades de cálcio e
alumínio, adicionadas ao Fe-Si, aumentavam muito a sua eficiência. Já nos anos 60,
estudos da adição de compostos contendo bário [LOWNIE, 1963] e bismuto
[BARTON, 1967] mostravam aumento no tempo de fading (tempo necessário para
que o inoculante perca eficiência) e na contagem de nódulos. Na década de 70 foram
aprofundados os estudos dos procedimentos de inoculação e de seus efeitos nas
propriedades do material, bem como dos elementos adicionados.
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
Mecanismo de inoculação continua sem um estudo definitivo. Seu efeito
depende da ocorrência de compostos – óxidos, sulfetos, nitretos e carbonetos – que
promovem a nucleação da grafita e resulta na estabilização do ferro fundido. Após o
tratamento de nodularização com Mg, o ferro líquido fica pobre em O, S e N
(elementos formadores de substratos) limitando o efeito da inoculação.
Métodos de inoculação mais utilizados:
a) inoculação na panela: o inoculante é depositado no fundo da panela e o metal
derramado por cima deste;
b) inoculação no molde: o inoculante em forma de pó ou pastilha é colocado em um
ponto específico do canal de alimentação;
c) inoculação por “arame recheado”: mais utilizado em sistemas automáticos de
vazamento, consiste na injeção no metal líquido de um arame contendo inoculante
em seu interior;
d) inoculação no jato: o inoculante em pó é adicionado ao metal líquido no
momento do vazamento deste no molde. É muito utilizado em vazamentos
automáticos.
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Solidificação de ferros fundidos
Inoculaç
Inoculação de Ferros Fundidos
A formação de núcleos e a precipitação da grafita em forma de nódulos,
juntamente com o controle do resfriamento, ajudam a estabilizar o processo de
solidificação. Skaland et al. [2005], atribuíram ao tratamento de inoculação os
seguintes benefícios:
a) promove estruturas mais homogêneas;
b) evita formação de carbonetos;
c) reduz a tendência à segregação de elementos de liga;
d) reduz a tendência para formação de rechupes;
e) promove a formação de grafita e ferrita; e
f) aumenta a ductilidade e diminui a dureza.
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Solidificação de ferros fundidos
Influência da Velocidade de
Resfriamento
Curvas de ⇒
Resfriamento
Indicam :
Temperaturas de
Transformação Eutética
Velocidade de
Resfriamento
Resfriamento
Rápido
⇒
Solidificação
de acordo com
o Equilíbrio
Metaestável
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Formação de Ferro
⇒ Fundido Brando
(Coquilhamento)
Solidificação de ferros fundidos
Ferros Fundidos – Velocidade de resfriamento
Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/pintaude/arquivos/ME62H_FerroFundido.pdf
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Solidificação de ferros fundidos
Curvas de Resfriamento esquemáticas
para Ferros Fundidos Comuns
1
2
3
Temperatura abaixo da
qual pode solidificar o
eutético Austenita-Grafita
Temperatura abaixo da qual
pode solidificar o eutético
Austenita-Cementita
1 - Ferro Fundido
Cinzento
2 - Ferro Fundido
Mesclado
3 - Ferro Fundido
Branco
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Solidificação de ferros fundidos
ANÁLISE TÉRMICA DOS
FERROS FUNDIDOS*
* Seminário apresentado pelo mestrando Elder Gregol dos Santos na
disciplina - Metalurgia Física – Semestre 2012_2
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Solidificação de ferros fundidos
Analise térmica
•
Vaza-se uma certa quantidade de metal em um recipiente contendo um
termopar. Este termopar, acoplado a um equipamento de registro de dados,
grava a evolução da temperatura da amostra durante a solidificação.
As curvas descrevem o balanço térmico entre o calor que é retirado pelo
molde e o calor gerado pelas transformações de fase da amostra durante a
solidificação.
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Solidificação de ferros fundidos
Temperatura Liquidus
Início da formação da Austenita:
Quanto menor o Carbono
Equivalente, mais alta é esta
temperatura e maior a formação
de autenita
Temperatura de
Nucleação:
Temperatura
Início da nucleação
da grafita
Ponto de máximo
crescimento das
células eutéticas
TEE
Temperatura de
Final de
Solidificação:
Temperatura de Superresfriamento:
Início do crescimento das
células eutéticas.
Quanto mais alta esta
temperatura, maior a
nucleação do banho
Temperatura de
Recalescência:
Tempo
Término da Solidificação
da Amostra. Quanto
mais baixa esta
temperatura maior a
tendência à formação de
carbonetos
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Solidificação de ferros fundidos
Análise térmica
dos ferros fundidos
Parâmetros a serem observados da curva de análise
térmica
TEE – Temperatura do Eutético Estável
TNE – Temperatura de Nucleação do
Eutético
TSE – Temperatura de Superresfriamento do
Eutético
TRE – Temperatura de Recalescência do
Eutético
TFS – Temperatura de Superresfriamento do
Eutético
dT/dt – Velocidade de Recalescência (dada
pela curva derivada)
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Solidificação de ferros fundidos
É possível associar os dados obtidos na curva de análise térmica do
metal para determinar alguns parâmetros da liga.
CEL – Carbono Equivalente Líquido
%C
% Si
Tendência ao coquilhamento
Número de nódulos
Tendência a microporosidades
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da composição química por análise térmica
•CEL – Carbono Equivalente Líquido
Para determinar o valor de Carbono Equivalente Líquido, deve-se ler a temperatura
Liquidus do metal.
Observa-se pelo diagrama de fase que o percentual de carbono altera a temperatura
de início de solidificação ( Temperatura Liquidus).
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da composição química por análise térmica
Temperatura
Temperatura Liquidus
Líq
.
Grafita
Temp. do
Eutético
Para determinar com exatidão o
valor de CEL, deve-se determinar
uma equação do tipo:
CEL=a xTL + b
C. E.
Para determinar as constantes desta equação, é necessário retirar uma
amostra para análise química com o mesmo metal utilizado na análise
térmica.
Com a análise química obtém-se o valor de % Si, %P e % C
Com a análise térmica obtém-se o valor da temperatura liquidus.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da composição química por análise térmica
Com os valores obtidos na análise química, calcula-se o percentual de
carbono equivalente liquido utilizando a equação:
%C + %Si/3 + %P/3
Correlaciona-se os valores de Carbono Equivalente por análise química
com os valores de temperatura liquidus através de uma Regressão linear.
Dessa forma obtém-se uma equação de carbono equivalente em função
da temperatura líquidus.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da composição química por análise térmica
•% Carbono
As temperaturas liquidus e do eutético de ferro fundido branco podem ser
dadas pelas seguintes equações:
TL = 1650 – 121,5(%C) – 26,7 (%Si+2,45%P) [°C];
TW = 1104 + 9,8(%C) – 12,1 (%Si+2,45%P) [°C] ;
sendo:
TL: temperatura liquidus hipoeutética e
TW: temperatura do eutético de ferro fundido branco
Resolvendo-se o sistema das duas equações, obtém-se a seguinte
expressão para o teor de carbono:
%C = 0,01693TW – 0,00796TL – 6,05
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da composição química por análise térmica
Para determinar as temperaturas liquidus e eutética deve-se utilizar um
corpo-de-prova com telúrio.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da composição química por análise térmica
•% Sílicio
O teor de silício pode ser determinado através do Carbono Equivalente, e
dos percentuais carbono e de fósforo ,utilizando a equação
%Si = 3(%CEL - %C - %P)
Os valores de CEL e %C são determinados pela análise térmica.
Quanto ao %P, pode-se excluir este valor da equação devido ao sua baixa
contribuição ao resultado ( na prática varia entre 0,035% a 0,065%).
Também pode-se estabelecer um valor médio para a liga que se deseja
analisar.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação do grau de nucleação
As curvas de análise térmica podem ser utilizadas para determinar o grau de
nucleação do metal.
Os principais parâmetros da curva de análise térmica utilizados neste tipo de
determinação seriam:
Temperatura de superresfriamento do eutético (TSE);
Recalescência (∆
∆T = TRE – TSE);
Superresfriamento na nucleação (SN = TEE – TSE);
Diferença entre a temperatura de recalescência do eutético e a temperatura
do eutético metaestável teórico (∆
∆Tcet = TRE – TEM).
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação do grau de nucleação
Caso um metal base tenha um baixo grau de
nucleação, haverá uma grande dificuldade para
a formação de células eutéticas.
A curva de resfriamento, obtida apresentará
baixa TSE e alto SN (superresfriamento de
nucleação).
Além disso, como a nucleação foi atrasada, o
crescimento será acelerado, causando uma
forte recalescência (elevados valores de ∆T).
Outro parâmetro pode ser utilizado como indicador da tendência grafitizante do
ferro fundido: ∆TCET. (TRE – TEM).
Com o aumento da eficiência da inoculação, o valor de ∆TCET aumenta.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação do grau de nucleação
Conhecendo o grau de nucleação natural do metal líquido é possível
controlar a quantidade de inoculante necessário para evitar o coquilhamento
(carbonetos) ou o excesso de inoculação.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da tendência a microporosidade por análise térmica
Pode-se determinar a tendência ao surgimento de microporosidades
realizando um balanço entre a contração e expansão durante a solidificação
do metal.
Durante a solidificação é possível identificar a contração e expansão do
metal de acordo com o microconstituinte formado.
CONTRAÇÃO
Inicio da
solidificação
– Surgimento
das dendritas
de austenita
EXPANSÃO
Crescimento
do eutético –
austenita +
grafita
CONTRAÇÃO
Estágios
finais da
solidificação
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação da tendência a microporosidade por análise térmica
Quanto maior o valor de K menor é a tendência da
liga a apresentar microprosidades de contração.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação do número de nódulos ( Ferro Fundido Nodular)
Pode-se determinar o número de nódulos através da
determinação de três fatores:
Carbono equivalente;
Grau de nucleação;
Tempo de solidificação da seção de interesse.
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação do número de nódulos ( Ferro Fundido Nodular)
Carbono Equivalente
Micrografia de um Ferro fundido nodular com espessura de 60 mm com
diferentes valores de Carbono Equivalente a) CE4.1, b) CE4.33, c) CE4.61, d)
CE4.81.
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Determinação do número de nódulos ( Ferro Fundido Nodular)
Grau de nucleação
Pelas teorias clássicas de nucleação,
cada nódulo de grafita nucleia e cresce
sobre um núcleo estável no metal
líquido.
Dessa maneira, quanto maior o número
de núcleos maior será o número de
nódulos que surgirão durante a
solidificação.
T.L.
TE
Este parâmetro pode ser estimado pelo
grau de super-resfriamento (DT) do
metal.
DT
TSE
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Solidificação de ferros fundidos
Determinação do número de nódulos ( Ferro Fundido Nodular)
A tempo local de solidificação (Ts) é influenciada fortemente pela espessura da
seção.
Em seções mais finas o tempo de solidificação é curto, favorecendo o surgimento de
um maior número de nódulos.
Nº nódulos = axCE + bxDT + cx DT²+ dxTs + exTs² + f
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Solidificação de ferros fundidos
Classificação dos Ferros Fundidos
Cinzentos
Ferros Fundidos Comuns
Brancos
Nodulares
Ferros Fundidos Especiais
Vermiculares
Maleáveis
Ligados
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Solidificação de ferros fundidos
Classificação dos Ferros Fundidos
Cinzento
PERLÍTICO
Nodular
FERRÍTICO
Maleável
BAINÍTICO
Branco
MARTENSÍTICO
Vermicular
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Ferro Fundido
Solidificação de ferros fundidos
σt
σesc
Mpa
Mpa
Along.
(5cm)
Perlítico
275
240
<1%
Blocos de motor
Martensítico
550
550
nulo
Bainítico
550
550
nulo
Superfícies sujeitas
ao
desgaste
Eixos de cames
Ferrítico
172
138
< 1%
Ferrítico
413
275
18
Tubulações
Perlítico
550
380
6
Árvore de manivela
Revenido
Martensítico
Ferrítico
825
620
2
365
240
18
Partes especiais de
máquinas
Ferramentas em
Perlítico
450
310
10
Equipamentos
ferroviários
Revenido
Martensítico
700
550
2
Equipamentos
ferroviários
Perlítico
275
275
nulo
Tipo
Cinzento
(3,2 C - 2 Si)
Nodular
(3,5C - 2,5Si)
Maleável
(2,2C - 1Si)
Branco
(3,5 C - 0,5Si)
Aplicações
Típicas
Tubulações, bases de
máquinas
geral
Produtos resistentes
ao desgaste
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Ferro Fundido Cinzento –
grafita em lamelas (veios)
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Ferro Fundido Vermicular ou de
Grafita Compacta – grafita
vermicular
Solidificação de ferros fundidos
Ferro Fundido Nodular – grafita
em nódulos (esferoidal)
Solidificação de ferros fundidos
Ferro Fundido Maleável –
ferrita, nódulos de grafita e
algumas inclusões
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Solidificação de ferros fundidos
Ferro Fundido Nodular com Matriz predominantemente Perlítica
Com a presença de Estruturas conhecidas como “Olho de Boi”
(Grafita Esferoidal cercada por Ferrita).Ataque: Nital. Aumento 200x.
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Ferro Fundido Cinzento com Matriz predominantemente Perlítica.
Ataque: Nital. Aumento 200x.
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Solidificação de ferros fundidos
Growth in Multidirectional Solidification
Flake (Lamellar) Graphite Eutectic. The austenite-FG eutectic solidifies with
the formation of eutectic colonies (cells) that are more or less spherical in
shape. It is generally thought that each eutectic cell is the product of a
nucleation event. The eutectic cell is made of interconnected graphite plates
surrounded by austenite. The degree of ramification of graphite within the cell
depends on undercooling, with higher undercooling resulting in more graphite
branching (Fig.16). The leading phase during the eutectic growth is the
graphite. Graphite spacing is determined by the same parameters as for
regular eutectics (see the article "Solidification of Eutectics" in this Volume),
with branching occurring as a response to interface instability. In turn,
interface instability is determined by localized changes in composition,
convection currents, crystallographic orientation different from the heat
extraction direction, and a change in temperature gradient.
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Solidificação de ferros fundidos
Schematic of solidification of flake graphite. (a) Typical eutectic colonies (cells).
(b) Growth sequence for a eutectic colony.
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SEM photomicrograph showing graphite, eutectic cell, and
prior dendrite structure in gray cast iron. 200×. Courtesy of
Gary F. Ruff, CMI International.
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The variations in graphite structures have been classified, together
with the length of the flakes, by standards that have been utilized for
many years. Flake graphite in gray cast iron can be designated as:
· Type A, uniform distribution, random orientation
· Type B, rosette grouping, random orientation
· Type C, superimposed flake sizes, random orientation
· Type D, interdendritic segregation, random orientation
· Type E, interdendritic segregation, preferred orientation
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The formation of the eutectic flake graphite (Types A, B, C, and D)
is greatly influenced by the amount by which the iron melt cools below the
equilibrium temperature for the austenite-graphite eutectic before
appreciable solidification occurs.
Type A graphite undergoes only small amounts of undercooling.
Type D graphite undercools significantly below this equilibrium
temperature.
The undercooling that occurs with Type B graphite is intermediate
between the two, producing fine graphite flakes, like Type D, in the center
of the eutectic cells or rosette and a coarser type like Type A at the outer
cell boundaries.
Type E graphite occurs in strongly hypoeutectic gray irons with
carbon equivalents well below 4.3%.
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(a) Type A 100×
(b) Type A 430×
(d) Type B 430×
(e) Type D 2100×
(c) Type B 100×
(f) Types D (fine) and
E(coarse) 100×
SEM photomicrographs illustrating variety of flake graphite structures
present in gray cast iron
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Spheroidal Graphite Eutectic.
Growth of the austenite-SG eutectic is more complicated and less
understood than that of the γ-FG eutectic, although a good number of
theories have been proposed. As discussed previously in this section,
the γ-SG eutectic is a divorced eutectic. It has been rather widely
accepted that the growth of this eutectic begins with nucleation and the
growth of graphite in the liquid, followed by early encapsulation of these
graphite spheroids in austenite shells (envelopes). A schematic of the
process is shown in Fig. 19. Graphite nucleation and growth deplete the
melt of carbon in the vicinity of the graphite; this creates conditions for
austenite nucleation and growth around the graphite spheroid. Once the
austenite shell is formed, further growth of graphite can occur only by
solid diffusion of carbon from the liquid through the austenite.
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However, recent research has shown that the solidification mechanism of SG
iron is more complicated and that austenite dendrites play a significant role in
eutectic solidification. The eutectic austenite is dendritic and can scarcely be
distinguished from primary austenite dendrites. The sequence of solidification is
as follows:
· At the eutectic temperature, austenite dendrites and graphite spheroids
nucleate independently in the liquid
· Limited growth of spheroidal graphite occurs in contact with the liquid
· Flotation or convection then determines the collision of spheroidal graphite with
the austenite dendrites
· Graphite encapsulation in austenite can occur before or immediately after the
contact between graphite and austenite dendrites
· Further growth of graphite occurs by carbon diffusion through the austenite
shell
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Schematic illustrating the progression of growth in austenite-SG eutectic
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Compacted/Vermicular Graphite Eutectic.
The sequence of growth of compacted/vermicular graphite during the
eutectic transformation is shown schematically in Fig. 26, based on
experimental data from Ref 34 on rapidly quenchedsamples from
successive stages during the solidification process. It can be seen
that at the eginning graphite precipitates as spheroids, which then
degenerate during growth and subsequently develop into compacted
graphite. Compacted graphite develops as interconnected segments
within an austenitic matrix. Typical compacted graphite is shown in
Fig.27.
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Schematic of the sequence of development of compacted/vermicular graphite:
(a) small spheroids; (b) and (c), some spheroids have tails; (d) compacted
graphite plus spheroidal graphite; and (e) compacted graphite.
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