1. Que fatores levam à decomposição da cementita, favorecendo a obtenção de ferros fundidos cinzentos?

Passo 1

O enunciado pergunta quais fatores fazem com que a cementita \text{Fe}_3\text{C} se decomponha, liberando carbono na forma de grafite, e assim favorecendo a microestrutura característica dos ferros fundidos cinzentos (com flocos de grafite). O conteúdo envolve termodinâmica e cinética de transformação da austenita e da cementita, além de aspectos de liga e de processamento térmico.

Passo 2

Analisando a composição química, identificamos os efeitos dos elementos de liga sobre a estabilidade de \text{Fe}_3\text{C}:
  • Elementos grafitizantes (promovem a decomposição da cementita): silício \text{Si}, fósforo \text{P} e alumínio \text{Al}. Eles deslocam o equilíbrio para a formação de grafite em vez de cementita.
  • Elementos desgrafitizantes (favorecem a cementita): manganês \text{Mn}, cromo \text{Cr}, níquel \text{Ni} e cobre \text{Cu}. Eles aumentam a estabilidade da \text{Fe}_3\text{C} e retardam a grafitização.
  • Teor de carbono elevado ( \sim2,5\% a \sim4,0\% em massa) aumenta a tendência a formar grafite ao reduzir a solubilidade de carbono no ferro.

Passo 3

Do ponto de vista termodinâmico e cinético:
  • A adição de \text{Si} e \text{P} reduz a energia livre de formação da grafita em relação à cementita, deslocando o diagrama de fases para favorecer a zona de grafitização.
  • A cinética depende da taxa de resfriamento: resfriamento mais lento dá tempo para difusão de carbono e nucleação de grafite, permitindo que a \text{Fe}_3\text{C} decomponha completamente em flocos de grafite. Resfriamentos muito rápidos “congelam” a cementita, formando perlita dura.

Passo 4

O papel da nucleação e da inoculação:
  • A inoculação consiste em adicionar partículas finas (normalmente de ferrosilício inoculado) logo após a fusão, criando sítios de nucleação para grafite.
  • Esses sítios facilitam o aparecimento de flocos de grafite em vez de lamelas de cementita, acelerando a decomposição da \text{Fe}_3\text{C}.

Passo 5

Integração dos fatores para o ferro cinzento:
  • Composição rica em grafitizantes \text{Si}, \text{P}, baixa em desgrafitizantes \text{Mn}, \text{Cr}, teor de carbono elevado e adequada relação C + Si (equivalente de carbono alto).
  • Resfriamento controlado (lentidão moderada) para favorecer difusão de carbono.
  • Inoculação eficaz para garantir muitos núcleos de grafite.
    Esses fatores em conjunto deslocam o equilíbrio termoquímico e aceleram a cinética de transformação, levando à decomposição da cementita em grafita e à microestrutura típica do ferro fundido cinzento.

Resposta

  • Composição química rica em elementos grafitizantes (principalmente \text{Si} e \text{P}) e pobre em elementos desgrafitizantes \text{Mn}, \text{Cr}, \text{Ni}, \text{Cu}.
  • Teor de carbono elevado (entorno de 2,5 %–4,0 %).
  • Resfriamento lento o suficiente para permitir difusão de carbono e nucleação de grafite.
  • Inoculação adequada (ferrosilício inoculado) para gerar sítios de nucleação de flocos de grafite.

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