Ferro fundido

Grelha decorativa em ferro fundido pintado (esq.) e frigideira em ferro fundido (dir.)
Ferro de waffle de ferro fundido, um exemplo de utensílio de cozinha de ferro fundido

O ferro fundido é uma classe de ligas de ferro-carbono com um teor de carbono superior a 2% e um teor de silício em torno de 1–3%.[1] A sua utilidade deriva da sua temperatura de fusão relativamente baixa. Os elementos de liga determinam a forma em que o seu carbono aparece: o ferro fundido branco tem o seu carbono combinado no composto de carboneto de ferro cementita, que é muito duro, mas quebradiço, pois permite que as rachas passem diretamente através dele; o ferro fundido cinzento possui flocos de grafite que desviam uma racha em propagação e iniciam inúmeras novas rachas à medida que o material se rompe, e o ferro fundido dúctil possui "nódulos" esféricos de grafite que impedem a propagação da racha.

Carbono (C), variando de 1,8 a 4% em peso e silício (Si), 1–3wt% são os principais elementos de liga do ferro fundido. Ligas de ferro com menor teor de carbono são conhecidas como aço.

O ferro fundido tende a ser quebradiço, com exceção dos ferros fundidos maleáveis. Com o seu ponto de fusão relativamente baixo, boa fluidez, capacidade de fundição, excelente maquinabilidade, resistência à deformação e ao desgaste, o ferro fundido tornou-se um material de engenharia com uma ampla gama de aplicações, sendo utilizado em tubulações, máquinas e peças da indústria automotiva, como cabeçotes, blocos de cilindros e carcaças de caixas de transmissão. Algumas ligas são resistentes a danos por oxidação. Em geral, o ferro fundido é notoriamente difícil de soldar.

Os artefatos de ferro fundido mais antigos datam do século VIII a.C. e foram descobertos por arqueólogos no que hoje é Jiangsu, na China. O ferro fundido era usado na China antiga para a produção em massa de armamentos para guerra, bem como para a agricultura e arquitetura.[2] Durante o século XV d.C., o ferro fundido passou a ser utilizado para canhões e projéteis na Borgonha, França, e na Inglaterra durante a Reforma Protestante. As quantidades de ferro fundido usadas para canhões exigiam produção em larga escala.[3] A primeira ponte de ferro fundido foi construída na década de 1770 por Abraham Darby III e é conhecida como A Ponte de Ferro em Shropshire, Inglaterra. O ferro fundido também era usado na construção de edifícios.

História

Diorama de um soprador de alto-forno da dinastia Han.
O Leão de Ferro de Cangzhou, a maior obra de arte em ferro fundido ainda existente na China, 953 d.C., período Zhou Posterior.
Tubulação de ferro fundido "sem encaixe" para drenagem, esgoto e ventilação
"Harpa" de ferro fundido de um piano de cauda

O ferro fundido e o ferro forjado podem ser produzidos involuntariamente durante a fundição de cobre usando minério de ferro como fundente.[4] :47–48

Os primeiros artefactos de ferro fundido datam do século VIII a.C. e foram descobertos por arqueólogos no que é hoje o moderno condado de Luhe, Jiangsu, na China, durante o período dos Reinos Combatentes. Isto baseia-se numa análise das microestruturas do artefacto.[5]

O ferro fundido pode ser vertido num molde para criar formas complexas que seriam difíceis ou impossíveis de fazer com outras técnicas tradicionais de metalurgia. No entanto, como o ferro fundido é comparativamente quebradiço, não é adequado para fins que exijam uma borda afiada ou flexibilidade. É resistente à compressão, mas não à tensão. O ferro fundido foi inventado na China no século VIII a.C. e vertido em moldes para fazer arados e potes, bem como armas e pagodes.[5] Embora o aço fosse mais desejável, o ferro fundido era mais barato e, portanto, era mais comumente usado para implementos na China antiga, enquanto o ferro forjado ou o aço eram usados para armas.[5] Os chineses desenvolveram um método de recozimento do ferro fundido, mantendo as peças fundidas quentes numa atmosfera oxidante por uma semana ou mais, a fim de queimar parte do carbono próximo à superfície e evitar que a camada superficial ficasse muito quebradiça.[6] :43

Nas profundezas da região do Congo, na floresta da África Central, ferreiros inventaram fornos sofisticados capazes de atingir altas temperaturas há mais de 1000 anos. Existem inúmeros exemplos de soldagem, solda e fundição de ferro em cadinhos e vertido em moldes. Estas técnicas eram empregadas para a produção de ferramentas e armas compostas com lâminas de ferro fundido ou aço e interiores de ferro forjado macio e flexível. Fio de ferro também era produzido. Numerosos testemunhos foram feitos pelos primeiros missionários europeus sobre o povo Luba, que vertia ferro fundido em moldes para fazer enxadas.[7] A análise metalográfica de artefatos Luba também indica o uso de ferro fundido.[8]

A tecnologia do ferro fundido foi transferida da China para o Ocidente. Al-Qazvini, no século XIII, e outros viajantes posteriormente notaram uma indústria de ferro nas montanhas Alburz, a sul do Mar Cáspio. Esta região fica próxima à Rota da Seda, portanto, o uso da tecnologia do ferro fundido derivada da China é plausível. Após a sua introdução no Ocidente, no século XV, o ferro fundido foi utilizado para canhões e projéteis. Henrique VIII (reinou de 1509 a 1547) iniciou a fundição de canhões na Inglaterra. Logo, os ferreiros ingleses, utilizando altos-fornos, desenvolveram a técnica de produção de canhões de ferro fundido que, embora mais pesados que os canhões de bronze predominantes, eram muito mais baratos e permitiram à Inglaterra armar melhor a sua marinha.

Naquela época, muitas panelas de ferro fundido eram fabricadas em altos-fornos ingleses. Em 1707, Abraham Darby patenteou um novo método para fabricar panelas (e chaleiras) mais finas e, portanto, mais baratas do que as produzidas pelos métodos tradicionais. Isto fez com que os seus altos-fornos em Coalbrookdale se tornassem dominantes como fornecedores de panelas, atividade na qual foram acompanhados, nas décadas de 1720 e 1730, por um pequeno número de outros altos-fornos a coque.

A aplicação da máquina a vapor para acionar foles de alto-forno (indiretamente, bombeando água para uma roda de água) na Grã-Bretanha, a partir de 1743 e intensificada na década de 1750, foi um fator chave para o aumento da produção de ferro fundido, que cresceu exponencialmente nas décadas seguintes. Além de superar a limitação da energia hidráulica, o alto-forno movido a água bombeada a vapor proporcionava temperaturas mais elevadas nos fornos, o que permitia o uso de maiores proporções de cal, possibilitando a conversão do carvão vegetal (para o qual o fornecimento de madeira era insuficiente) em coque.[9]:122

Os mestres do ferro da região de Weald continuaram a produzir ferro fundido até à década de 1760, e o armamento foi um dos principais usos do ferro após a Restauração.

Pontes de ferro fundido

O uso de ferro fundido para fins estruturais começou no final da década de 1770, quando Abraham Darby III construiu a Ponte de Ferro, embora vigas curtas já fossem utilizadas, como nos altos-fornos de Coalbrookdale. Outras invenções se seguiram, incluindo uma patenteada por Thomas Paine. Pontes de ferro fundido tornaram-se comuns à medida que a Revolução Industrial ganhava força. Thomas Telford adotou o material para a sua ponte rio acima, em Buildwas, e depois para o Aqueduto de Longdon-on-Tern, um aqueduto de canal em Longdon-on-Tern, no Canal de Shrewsbury. Seguiram-se o Aqueduto de Chirk e o Aqueduto de Pontcysyllte, ambos ainda em uso após as recentes restaurações.

A melhor forma de usar ferro fundido na construção de pontes era através do uso de arcos, de modo que todo o material ficasse sob compressão. O ferro fundido, assim como a alvenaria, é muito resistente à compressão. O ferro forjado, como a maioria dos outros tipos de ferro e, de facto, como a maioria dos metais em geral, é resistente à tração e também forte – resistente à fratura. A relação entre o ferro forjado e o ferro fundido, para fins estruturais, pode ser considerada análoga à relação entre madeira e pedra.

Pontes com vigas de ferro fundido foram amplamente utilizadas pelas primeiras ferrovias, como a Ponte Water Street, em 1830, no terminal de Manchester da Ferrovia Liverpool e Manchester. No entanto, os problemas com seu o uso tornaram-se evidentes quando uma nova ponte que transportava a Ferrovia Chester e Holyhead sobre o Rio Dee, em Chester, desabou em maio de 1847, matando cinco pessoas, menos de um ano após a sua inauguração. O desastre da ponte Dee foi causado pela sobrecarga no centro da viga devido à passagem de um comboio, e muitas pontes semelhantes tiveram de ser demolidas e reconstruídas, frequentemente em ferro forjado. A ponte havia sido mal projetada, sendo treliçada com cintas de ferro forjado, que erroneamente se acreditava reforçarem a estrutura. Os centros das vigas foram submetidos à flexão, com a borda inferior sob tensão, onde o ferro fundido, assim como a alvenaria, é muito frágil.

Contudo, o ferro fundido continuou a ser usado de forma inadequada em estruturas, até que o desastre da Ponte Ferroviária de Tay, em 1879, lançou sérias dúvidas sobre o uso do material. As peças cruciais para a fixação das barras de ligação e dos montantes da Ponte de Tay haviam sido fundidas integralmente com as colunas e falharam nos estágios iniciais do acidente. Além disso, os furos para os parafusos também foram fundidos, e não perfurados. Assim, devido ao ângulo de inclinação da peça fundida, a tensão das barras de ligação foi aplicada na borda do furo, em vez de ser distribuída ao longo do seu comprimento. A ponte substituta foi construída em ferro forjado e aço.

Outros desabamentos de pontes ocorreram, culminando no acidente ferroviário de Norwood Junction em 1891. Milhares de pontes ferroviárias de ferro fundido foram eventualmente substituídas por equivalentes de aço até 1900, devido à preocupação generalizada com as pontes de ferro fundido na rede ferroviária britânica.

Edifícios

As colunas de ferro fundido, pioneiras em edifícios industriais, permitiram aos arquitetos construir prédios de vários andares sem as paredes extremamente espessas exigidas para construções de alvenaria de qualquer altura. Elas também ampliaram o espaço interno em fábricas e a visibilidade em igrejas e auditórios. Em meados do século XIX, as colunas de ferro fundido eram comuns em armazéns e edifícios industriais, combinadas com vigas de ferro forjado ou fundido, o que eventualmente levou ao desenvolvimento de arranha-céus com estrutura de aço. O ferro fundido também foi usado ocasionalmente em fachadas decorativas, especialmente nos Estados Unidos, e o bairro do Soho, em Nova Iorque, possui inúmeros exemplos. Além disso, foi utilizado ocasionalmente em edifícios pré-fabricados completos, como o histórico Iron Building em Watervliet, Nova Iorque.

Fábricas têxteis

Outro uso importante foi em fábricas têxteis. O ar nas fábricas continha fibras inflamáveis do algodão, cânhamo ou lã que estavam a ser fiados. Como resultado, as fábricas têxteis tinham uma propensão alarmante a pegar fogo. A solução foi construí-las inteiramente com materiais não combustíveis, e descobriu-se ser conveniente fornecer ao edifício uma estrutura de ferro, em grande parte de ferro fundido, substituindo a madeira inflamável. O primeiro edifício desse tipo foi em Ditherington, em Shrewsbury, Shropshire.[10] Muitos outros armazéns foram construídos usando colunas e vigas de ferro fundido, embora projetos falhos, vigas defeituosas ou sobrecarga às vezes causassem desabamentos e falhas estruturais.

Durante a Revolução Industrial, o ferro fundido também foi amplamente utilizado para estruturas e outras partes fixas de máquinas, incluindo máquinas de fiação e, posteriormente, de tecelagem em fábricas têxteis. O ferro fundido tornou-se amplamente utilizado e muitas cidades tinham fundições que produziam máquinas industriais e agrícolas.

Ferro fundido cinzento

Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafita livre em sua microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação.

Este tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. A presença de veios de tipos de matriz metálica (variações nos teores de perlita e cementita). Podem ser submetidos a tratamentos térmicos para endurecimento localizado, porém, em geral, são utilizados principalmente no estado bruto de fundição, podendo ainda ser normalizado ou recozido, por tratamento térmico.[11]

Ferro fundido branco

Formado por uma taxa de resfriamento mais alta, o ferro fundido branco é menos comum que o ferro fundido cinzento, o branco é utilizado em peças em que se necessite elevada resistência à abrasão, alta dureza e baixa ductilidade.

Este tipo de ferro fundido não possui grafita livre em sua microestrutura. Neste caso o carbono encontra-se combinado com o ferro (em forma de cementita), resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado. A peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material. É utilizado na fabricação de equipamentos para a moagem de minérios, pás de escavadeiras e outros componentes similares.

O ferro fundido branco divide-se em hipoeutéticos, eutéticos e hipereutéticos, de acordo com a porcentagem de carbono equivalente.

Ferro fundido nodular


Micrografia óptica de ferro fundido nodular polido e atacado em 4% Nital. 100X

O ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido onde o carbono (grafite) junto com cementita e outros que permanece livre na matriz metálica, porém em forma solida e de visualidade circular. Este formato do grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo aos materiais características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento, devido às estreitas faixas de composição químicas utilizadas para este material.

O ferro fundido nodular é utilizado na indústria para a confecção de peças que necessitem de maior resistência a impacto em relação aos ferros fundidos cinzentos, além de maior resistência à tração e resistência ao escoamento, característica que os ferros fundidos cinzentos comuns não possuem à temperatura ambiente.

  • Propriedades mecânicas dos nodulares: boa resistência mecânica à tração, boa ductilidade e resiliência, boa resistência à compressão.

Ferro fundido maleável

  • Propriedades mecânicas dos maleáveis: alta resistência mecânica, maior ductilidade e resiliência em relação ao ferro fundido branco, boa resistência à compressão, fluidez no estado líquido o que permite a produção de peças complexas e finas.

A obtenção é feita a partir do ferro fundido branco e um tratamento térmico chamado maleabilização, a peça do ferro branco fica submetido a uma temperatura de 900° a 1000° durante 30 horas, com todo seu meio de trajeto.

Aplicações: conexão para tubulações, sapatas de freios, caixas de engrenagens, cubos de rodas, bielas, alças de caixões etc.

Ferro fundido austemperado

  • Propriedades mecânicas dos austemperados: alta tenacidade e resistência mecânica à tração duas vezes superior ao nodular, e ductilidade igual aos nodulares, fácil usinabilidade.

Referências

  1. ↑ Campbell, F.C. (2008). Elements of Metallurgy and Engineering Alloys. Materials Park, Ohio: ASM International. ISBN 978-0-87170-867-0
  2. ↑ Wagner, Donald B. (1993). Iron and Steel in Ancient China. [S.l.]: BRILL. pp. 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5
  3. ↑ Krause, Keith (agosto de 1995). Arms and the State: Patterns of Military Production and Trade. [S.l.]: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-55866-2
  4. ↑ Tylecote, R. F. (1992). A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886
  5. 1 2 3 Wagner, Donald B. (1993). Iron and Steel in Ancient China. [S.l.]: BRILL. pp. 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5
  6. ↑ Temple, Robert (1986). The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention. New York: Simon and Schuster Based on the works of Joseph Needham>
  7. ↑ Bocoum, Hamady, ed. (2004), The Origins of Iron Metallurgy in Africa (PDF), ISBN 92-3-103807-9, Paris: UNESCO Publishing, pp. 130–131
  8. ↑ Childs (1991). «Style, technology and iron furnace in Bantu-speaking Africa». Of Anthropological Archaeology. 10: 332-359. doi:10.1016/0278-4165(91)90006-J
  9. ↑ Tylecote, R. F. (1992). A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886
  10. ↑ «Ditherington Flax Mill: Spinning Mill, Shrewsbury – 1270576». Historic England. Consultado em 29 de junho de 2020
  11. ↑ «Ferro Fundido Cinzento, Nodular e os processos de fundição - Pasifer». www.pasifer.com.br. Consultado em 31 de maio de 2022

Bibliografia

  • COLPAERT, H. – Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns, 3a edição, Cp 5, 1974.
  • HUNNICUTT, H.A. – Fundição – ABM – 12a edição, 1981.
  • CHIAVERINI, V. – Aços de Ferros Fundidos, 7a edição, 1996
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