Ligas de Ferro e Carbono: Aços e Ferros Fundidos

As Ligas de Ferro e Carbono

O aço é a liga ferro-carbono contendo até 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais dos processos de fabricação.

O ferro fundido é a liga ferro-carbono-silício com teores de carbono acima de 2%, em quantidade superior à que é retida em solução sólida na austenita, resultando em carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita.

Embora possuam mais de 2% de carbono, considera-se que os ferros fundidos comerciais não são ligas binárias ferro-carbono, pois contêm teores elevados de outros elementos, principalmente o silício. Em geral, são ligas ternárias de ferro-carbono-silício. Ligas com mais de 4% a 4,5% de carbono apresentam pouco ou nenhum interesse comercial devido à alta dureza e fragilidade.

Matérias-Primas e Componentes

• Ferro Gusa: Principal fonte de ferro utilizada na fabricação de ferros fundidos, com teor de carbono variando de 3,2 a 4,6% e teor de silício de 0,5 a 3,0%.
• Sucata de aço: Condicionada ao tipo de ferro fundido que se quer obter. É a principal responsável pela diminuição dos teores de carbono do ferro fundido. Seu uso varia de 10 a 50% em peso da carga.
• Ferro-liga: Utilizados na produção para corrigir teores, adicionar elementos de liga ou inocular a liga para aumentar a grafitização.
• Enxofre: Gusas provenientes de alto-forno a carvão vegetal possuem menores teores deste elemento.
• Impurezas: Gusas vazadas em areia apresentam maior teor de impurezas que os vazados em máquinas de lingotar.
• Calcário: Utilizado para separar as impurezas do processo de fusão.

Equipamentos de Fusão

• Forno Cubilô: Equipamento de fusão empregado para a produção de ferros fundidos que utiliza como matéria-prima o ferro gusa, sucata de aço, calcário e, como combustível, o coque.
• Fornos elétricos: Permitem o controle da temperatura do banho e condições favoráveis para oxidação e adições de elementos de liga, permitindo a obtenção de ferros fundidos com características excepcionais e alta qualidade.

Influência da Velocidade de Resfriamento

Velocidades de resfriamento mais lentas favorecem o equilíbrio, com a formação de grafita durante a solidificação. Velocidades mais elevadas conduzem à solidificação metaestável, favorecendo a formação de cementita.

A velocidade de resfriamento é controlada, normalmente, pelas dimensões da peça e pelo material do molde de fundição. Peças grandes tendem a resfriar mais lentamente. Areias de condutividade térmica mais baixa também reduzem a velocidade de resfriamento. Por outro lado, moldes metálicos (coquilhas) produzem resfriamento muito rápido.

Influência da Composição Química

• Carbono: Em baixos teores, há tendência para formar-se o ferro fundido branco. Maiores teores geram carbono livre, grafita e ferro fundido cinzento.
• Silício: Reduz a estabilidade da cementita e favorece sua decomposição em ferrita e grafita. É importante na obtenção de ferro fundido cinzento.
• Manganês: Dificulta a decomposição da cementita, dissolvendo-se nessa fase: (Fe,Mn)3C. Em teores elevados, poderia anular o silício. Seu papel principal é neutralizar a ação do enxofre, formando MnS.
• Enxofre: Nos ferros fundidos, o teor de enxofre pode ser mais elevado que nos aços. Ele tem papel importante na morfologia da grafita. O ajuste dos teores de manganês e enxofre é fundamental para garantir as propriedades mecânicas desejadas.