O ferro fundido e o aço fundido são magnéticos?

O magnetismo é uma das propriedades físicas básicas dos materiais metálicos, originando-se do momento magnético gerado pelo spin e movimento orbital dos elétrons dentro do material. Materiais ferromagnéticos (como ferro, cobalto, níquel e suas ligas) exibem forte magnetismo abaixo da temperatura de Curie. O processo de magnetização inclui dois mecanismos básicos: movimento da parede de domínio e rotação do momento magnético. Ferro fundido e aço fundido são materiais de engenharia de extrema importância. Suas propriedades magnéticas afetam diretamente seu desempenho em aplicações como equipamentos eletromagnéticos, sistemas mecânicos e ambientes especiais.

1. O ferro fundido é magnético?

A maioria dos ferros fundidos é magnética, mas também existem ferros fundidos não magnéticos (fracamente magnéticos). O fato de um ferro fundido ser magnético ou não depende principalmente da composição da liga e do processo de tratamento térmico do ferro fundido.

(1). Por que a maioria dos ferros fundidos são magnéticos?

A razão fundamental pela qual o ferro fundido é magnético é seu principal componente químico - o ferro (Fe).

O ferro é um material ferromagnético: 

O ferro puro em si possui forte ferromagnetismo, o que significa que é facilmente atraído por ímãs e também pode ser magnetizado.

Os principais componentes do ferro fundido: 

O ferro fundido é uma liga de ferro (Fe), carbono (C) e silício (Si), com alto teor de carbono (geralmente superior a 2%). Embora carbono e outros elementos sejam adicionados, a matriz de ferro ainda ocupa uma posição absolutamente dominante, mantendo assim as propriedades ferromagnéticas do ferro.

Tipos comuns de ferro fundido: 

A maior parte do ferro fundido que vemos no nosso dia a dia, como por exemplo, blocos de motor, bases de máquinas-ferramenta, panelas de ferro fundido, radiadores, tubos de esgoto, etc., são ferro fundido cinzentoO carbono nesse tipo de ferro fundido existe principalmente na forma de flocos de grafite, mas sua matriz metálica ainda é perlita ou ferrita, ambas ferromagnéticas.

Portanto, se você usar um ímã comum para atrair objetos comuns... produtos de ferro fundido, o ímã conseguirá atraí-los firmemente.

(2). Existe algum ferro fundido não magnético?

Sim, depende. Isso se deve principalmente à composição da liga e ao processo de tratamento térmico do ferro fundido.

Quando o ferro fundido é ligado com grandes quantidades de elementos de liga, como níquel (Ni), cromo (Cr) e manganês (Mn), e submetido a tratamento térmico especial, sua estrutura interna da matriz metálica se transforma de perlita ou ferrita ferromagnética em austenita não magnética (ou fracamente magnética).

O ferro fundido não magnético mais típico é:

Ferro fundido austenítico:

Esse tipo de ferro fundido normalmente contém altos níveis de níquel (como o ferro fundido Ni-Resist) ou manganês.

Esses elementos de liga estabilizam a estrutura da austenita, permitindo que ela mantenha sua estrutura austenítica mesmo em temperatura ambiente.

A austenita é paramagnética, o que significa que responde muito pouco aos campos magnéticos e não pode ser atraída por ímãs comuns.

Principais aplicações: Devido à sua excelente resistência à corrosão, resistência ao calor e propriedades não magnéticas, ferro fundido austenítico É comumente utilizado em bombas e válvulas químicas, equipamentos da indústria alimentícia e componentes que precisam evitar interferências magnéticas em campos magnéticos fortes.

(3). Propriedades magnéticas de diferentes ferros fundidos

(1). Propriedades magnéticas do ferro fundido cinzento

O grafite em flocos presente no ferro fundido cinzento destrói a continuidade da matriz ferrítica e dificulta o movimento dos domínios magnéticos. Sua permeabilidade magnética relativa geralmente varia entre 200 e 400, muito inferior aos 5000 do ferro puro. Quanto maiores e mais numerosos os flocos de grafite, menor a permeabilidade magnética. O ferro fundido cinzento apresenta alta força coercitiva (80-160 A/m) e grandes perdas por histerese, o que o torna inadequado para uso em campos magnéticos alternados.

(2). Propriedades magnéticas do ferro dúctil

O grafite esférico em ferro dúctil A esferoidização tem um pequeno efeito de quebra na matriz, e as propriedades magnéticas são significativamente melhoradas. A permeabilidade magnética relativa do ferro fundido nodular ferrítico pode atingir 800-1200, e a força coercitiva é reduzida para 40-80 A/m. As propriedades magnéticas podem ser ainda mais aprimoradas otimizando-se a taxa de esferoidização e a estrutura da matriz. O ferro fundido nodular perlítico apresenta baixa permeabilidade magnética e alta força coercitiva devido à presença de cementita.

(3). Magnetismo de ferros fundidos especiais

O ferro fundido austenítico (como o ferro fundido austenítico com alto teor de níquel) é paramagnético à temperatura ambiente, com permeabilidade magnética próxima de 1 e boas propriedades não magnéticas. A camada branca na superfície do ferro fundido temperado apresenta alta coercividade e remanência, é resistente ao desgaste, mas possui propriedades magnéticas deficientes.

2. O aço fundido é magnético?

Os aços fundidos mais comuns são fortemente magnéticos, mas, assim como o ferro fundido, ajustando a composição da liga e realizando tratamentos térmicos específicos, a microestrutura do aço pode ser alterada, fazendo com que ele perca seu magnetismo.

(1). Por que a maioria dos aços fundidos são fortemente magnéticos?

A essência do aço fundido é fundições de açoA origem do seu magnetismo é semelhante à do ferro fundido, mas a razão é mais pura:

O componente principal é o ferro (Fe): 

O aço é uma liga metálica cujo principal elemento é o ferro. O ferro puro, por sua vez, é um material ferromagnético típico.

Estrutura estável à temperatura ambiente: 

A microestrutura do ordinário aço carbono e aço fundido de baixa liga À temperatura ambiente, é composto principalmente de ferrita e perlita. Ambas as estruturas são ferromagnéticas.

Manifestação magnética: 

Portanto, a maioria das peças fundidas de aço que vemos no dia a dia, como engrenagens, eixos, âncoras, aparelhos de mudança de via férrea, estruturas de edifícios, etc., e máquinas pesadas, podem ser firmemente atraídas por ímãs.

(2). Existe algum aço fundido não magnético?

Sim, ajustando a composição da liga e realizando um tratamento térmico específico, a microestrutura do aço pode ser alterada, fazendo com que ele perca seu magnetismo.

O exemplo mais típico é:

Fundidos de aço inoxidável austenítico:

Graus representativos: CF8 (equivalente ao aço forjado 304) e CF8M (equivalente ao aço forjado 316) são os dois mais comuns.

O papel dos elementos de liga: Este tipo de aço fundido contém uma alta proporção de cromo (Cr) e níquel (Ni) (geralmente teor de níquel >8%). O níquel pode estabilizar a estrutura da austenita, permitindo que ela seja mantida desde altas temperaturas até a temperatura ambiente.

A austenita é paramagnética, o que significa que responde muito pouco aos campos magnéticos aplicados. Ímãs comuns não conseguem atraí-la, ou experimentam apenas uma atração muito fraca (devido à presença de pequenas quantidades de fases magnéticas).

Principais aplicações: Devido à sua excelente resistência à corrosão e propriedades não magnéticas, é amplamente utilizado em bombas e válvulas químicas, equipamentos para processamento de alimentos, instrumentos médicos e componentes que devem evitar interferência magnética em campos magnéticos fortes (como em torno de aparelhos de ressonância magnética).

Fundidos de aço com alto teor de manganês:

Classe representativa: X120Mn12 (Aço resistente ao desgaste)

Características: Este aço também contém uma alta quantidade de manganês (Mn), que também é um elemento estabilizador da austenita, fazendo com que ele forme uma estrutura austenítica à temperatura ambiente, tornando-o não magnético.

Principais aplicações: Graças às suas propriedades não magnéticas e à sua extrema resistência ao desgaste e ao impacto, é comumente utilizado em máquinas de mineração, sapatos de corrida, chaves ferroviárias e outras aplicações.

(3). Propriedades magnéticas do aço fundido

1. Propriedades magnéticas de peças fundidas de aço carbono

O aço fundido de baixo carbono apresenta excelentes propriedades magnéticas suaves, com permeabilidades magnéticas relativas que atingem 1500-2000. À medida que o teor de carbono aumenta, a quantidade de cementita aumenta, a permeabilidade magnética diminui e a coercividade aumenta. As peças fundidas de aço normalizado apresentam uma estrutura mais uniforme e melhores propriedades magnéticas do que o aço fundido no estado bruto.

2. Propriedades Magnéticas de Aços Fundidos Liga

As peças fundidas de aço silício (contendo de 2.5 a 4.5% de silício) apresentam excelentes propriedades magnéticas suaves, alta permeabilidade magnética e baixa perda de ferro, tornando-as ideais para motores e transformadores. As peças fundidas de aço cromo-molibdênio mantêm uma permeabilidade magnética moderada, ao mesmo tempo que apresentam maior resistência mecânica e térmica. O aço com alto teor de manganês (aço Hadfield) sofre alterações nas propriedades magnéticas após o endurecimento por deformação.

3. Propriedades magnéticas de peças fundidas de aço inoxidável

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos (como o CA15) são ferromagnéticos e possuem alta permeabilidade magnética. Os aços inoxidáveis ​​ferríticos também são ferromagnéticos. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos (como o 304 e o 316) são tipicamente não magnéticos ou fracamente magnéticos, mas o trabalho a frio pode induzir uma transformação martensítica, que pode levar ao magnetismo. Os aços inoxidáveis ​​duplex possuem propriedades magnéticas intermediárias.

3. Diferenças Essenciais nas Propriedades Magnéticas do Ferro Fundido e do Aço Fundido

As diferenças magnéticas entre o ferro fundido e o aço fundido decorrem principalmente das diferenças em sua composição química e microestrutura. O ferro fundido tipicamente contém um teor de carbono mais elevado (2.5-4.0%), principalmente na forma de grafita, enquanto o aço fundido apresenta um teor de carbono mais baixo (0.1-0.5%), presente como cementita. Essa diferença fundamental resulta em diferenças significativas em suas propriedades magnéticas.

Microestruturalmente, a morfologia da grafita (em flocos, glóbulos ou vermiculares) no ferro fundido interrompe a continuidade da matriz ferrítica, dificultando o movimento dos domínios magnéticos. O aço fundido, por outro lado, possui uma estrutura de matriz mais uniforme, proporcionando um caminho melhor para o movimento dos domínios magnéticos. Essa diferença estrutural resulta em um aço fundido geralmente apresentar maior permeabilidade magnética e menor coercividade.

4. Principais fatores que afetam as propriedades magnéticas do ferro fundido e do aço fundido

(1) Influência da composição química

O aumento do teor de carbono reduz a permeabilidade magnética e aumenta a coercividade. O silício aumenta a resistividade e reduz as perdas por correntes parasitas. Elementos de impureza, como fósforo e enxofre, são geralmente prejudiciais às propriedades magnéticas. Elementos de liga afetam as propriedades magnéticas alterando a composição e a distribuição das fases.

(2). Influência da Microestrutura

A ferrita apresenta as melhores propriedades magnéticas suaves, com alta permeabilidade e baixa coercividade. A cementita dentro da perlita é uma fase magnética dura que reduz a permeabilidade. A austenita é uma fase não magnética. A morfologia, o tamanho e a distribuição do grafite desempenham um papel decisivo nas propriedades magnéticas do ferro fundido.

(3). Influência do tratamento térmico

O recozimento alivia as tensões de fundição e melhora as propriedades magnéticas. A normalização refina a microestrutura e aumenta a permeabilidade magnética. A têmpera produz martensita, aumentando significativamente a coercividade. A temperatura e o tempo de revenido influenciam a precipitação de carbonetos e a recuperação das propriedades magnéticas.

(4). Influência do processo de fundição

A taxa de resfriamento afeta a morfologia do grafite e a estrutura da matriz, influenciando assim as propriedades magnéticas. Variações na espessura da parede levam a inhomogeneidades estruturais, resultando em anisotropia nas propriedades magnéticas. Defeitos de fundição (como contração e porosidade) podem interromper a continuidade do circuito magnético.

5. Métodos de teste e caracterização magnética

(1) Testes magnéticos convencionais

A pesagem magnética é utilizada para distinguir materiais ferromagnéticos de não magnéticos. O ensaio por partículas magnéticas utiliza as propriedades magnéticas dos materiais para testes não destrutivos. Os fluxômetros medem a densidade do fluxo magnético para controle de qualidade e classificação de materiais.

(2). Teste padrão de propriedades magnéticas

As curvas de magnetização CC e as perdas no ferro CA são medidas usando amostras quadradas ou anelares de Epstein. Magnetômetros de amostra vibratória (VSMs) medem a magnetização de saturação e a coercividade. Analisadores de impedância medem as propriedades magnéticas de alta frequência.

(3). Análise da estrutura magnética microscópica

A microscopia óptica magnética de Kerr observa a estrutura de domínios magnéticos. A microscopia eletrônica de transmissão de Lorentz investiga estruturas magnéticas em nanoescala. A microscopia magnética de força atômica fornece resolução em nível nanométrico das propriedades magnéticas da superfície.

6. Magnetismo em ferro fundido e aço fundido em aplicações de engenharia

1. Aplicações de Equipamentos Eletromagnéticos

Os núcleos de motores e transformadores exigem alta permeabilidade magnética e baixa perda no ferro, e aço silício ou fundidos de aço de baixo carbono Normalmente, são utilizados aços fundidos de baixo carbono. Placas eletromagnéticas e equipamentos de separação magnética requerem alta magnetização de saturação, sendo o aço fundido de baixo carbono frequentemente empregado. Dispositivos de blindagem magnética requerem uma determinada permeabilidade magnética e magnetização de saturação.

2. Aplicações de Sistemas Mecânicos

As caixas de engrenagens e os sistemas de transmissão precisam levar em consideração os efeitos das propriedades magnéticas na lubrificação e no desgaste. Ferramentas e equipamentos não magnéticos utilizam ferro fundido austenítico ou fundidos de aço inoxidávelAs bases de instrumentos de precisão requerem materiais com estabilidade magnética.

3. Aplicações em ambientes especiais

Os equipamentos de usinas nucleares exigem materiais com baixo teor de cobalto e propriedades magnéticas estáveis. Equipamentos médicos (como aparelhos de ressonância magnética) requerem materiais não magnéticos. A indústria aeroespacial possui padrões rigorosos para as propriedades magnéticas dos materiais.

4. Influências magnéticas durante o processamento

A soldagem e o tratamento térmico podem alterar as propriedades magnéticas locais. A tensão gerada pela usinagem afeta as propriedades magnéticas. As flutuações de temperatura durante o uso podem alterar as propriedades magnéticas.

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(1) Seleção precisa de materiais:

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Série Ferro Fundido:

Ferro fundido cinzento: 

Oferece excelente amortecimento de vibrações e resistência ao desgaste, tem uma boa relação custo-benefício e é amplamente utilizado em bases de máquinas-ferramenta, blocos de motores, discos de freio, e outras aplicações.

Ferro fundido dúctil: 

Combinando a processabilidade do ferro fundido com resistência e tenacidade próximas às do aço, é uma escolha ideal para sistemas de tubulação, engrenagens, virabrequinse componentes de máquinas pesadas.

Ferro fundido resistente à corrosão/calor: 

Com uma liga especial, é ideal para ambientes corrosivos e de alta temperatura (como as indústrias química e metalúrgica).

Fundições de aço:

• Peças fundidas em aço carbono: 

Alta resistência e tenacidade, adequadas para ambientes com cargas pesadas e impactos, como máquinas de mineração, engrenagens e acopladores.

• Peças fundidas em aço de baixa liga: 

Reforçados por elementos de liga, apresentam propriedades mecânicas superiores e são utilizados em geração de energia, energia eólica e componentes de vasos de pressão.

• Peças fundidas em aço inoxidável austenítico: 

A excelente resistência à corrosão e as propriedades não magnéticas fazem deles a escolha ideal para processamento de alimentos, bombas e válvulas químicas, aplicações médicas e engenharia naval.

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