O tratamento térmico do ferro fundido apresenta semelhanças e diferenças em relação ao do aço. O tratamento térmico do ferro fundido não é capaz de melhorar a morfologia nem a distribuição do grafite na microestrutura original. No caso do ferro fundido cinzento, o efeito de concentração de tensões provocado pelo grafite em forma de escama é o principal fator que determina o desempenho do material; por isso, o efeito de endurecimento proporcionado pelo tratamento térmico nesse tipo de ferro fundido é muito menos significativo do que no aço e no ferro fundido nodular. Assim, os processos de tratamento térmico do ferro fundido cinzento incluem principalmente o recozimento e a normalização, entre outros.
No caso do ferro fundido nodular, como o grafite apresenta forma esférica, o efeito de fratura sobre a matriz é consideravelmente reduzido. A estrutura da matriz pode exercer plenamente seu papel mediante o tratamento térmico, o que melhora significativamente as propriedades mecânicas do material. Portanto, assim como o aço, o ferro fundido dúctil dispõe de processos de recozimento, normalização, têmpera com revenido, têmpera em múltiplas temperaturas, têmpera por aquecimento por indução e tratamentos térmicos superficiais químicos.
Processo de tratamento térmico do ferro fundido:
1. Revenimento para alívio de tensões
Devido à espessura não uniforme das paredes das peças fundidas, surgem tensões efetivas e tensões estruturais durante o aquecimento, o resfriamento e as transformações de fase. Além disso, nas peças de grande porte, as tensões internas tendem a permanecer após a usinagem; todas essas tensões internas devem ser eliminadas. A temperatura geral de aquecimento para o recozimento de alívio de tensões situa-se entre 500 e 550 °C, com tempo de manutenção de 2 a 8 horas, seguido de resfriamento em forno (para ferro fundido cinzento) ou resfriamento ao ar (para ferro fundido nodular). Esse processo consegue eliminar cerca de 90% a 95% das tensões internas da peça fundida, porém a microestrutura do ferro fundido permanece inalterada. Se a temperatura ultrapassar 550 °C ou se o tempo de manutenção for excessivo, ocorrerá grafitação em vez disso, reduzindo a resistência e a dureza da peça.
2. Recozimento de grafitação em alta temperatura para eliminação da fundição branca
Ao resfriar a peça fundida, é comum que surja uma camada branca na superfície e nas seções finas. Essa microestrutura branca é dura e frágil, apresentando baixa usinabilidade e sendo facilmente descascável. Por isso, é necessário adotar o recozimento (ou a normalização) para eliminar essa estrutura branca. Processo de recozimento: aquecer a 550–950 °C por 2–5 horas, depois resfriar em forno até 500–550 °C e, por fim, resfriar ao ar após a retirada do forno. Durante o período de isolamento em alta temperatura, a cementita livre e a cementita eutética se decompõem em grafite e austenita, enquanto a cementita secundária e a cementita eutetoide também se decompõem no processo subsequente de resfriamento, resultando em grafitação. Devido à decomposição da cementita, a dureza diminui, o que melhora a usinabilidade.
3. Normalização do ferro dúctil
O objetivo da normalização do ferro fundido dúctil é obter uma microestrutura de matriz perlítica, refinar os grãos e uniformizar a estrutura, a fim de melhorar as propriedades mecânicas das peças fundidas. Em alguns casos, a normalização também serve como preparação para o revenido superficial do ferro fundido dúctil, no que diz respeito à microestrutura. A normalização pode ser dividida em normalização de alta temperatura e normalização de baixa temperatura. A temperatura de normalização de alta temperatura geralmente não ultrapassa 950~980 °C, enquanto a normalização de baixa temperatura é realizada, em geral, na faixa de temperatura eutetóide, entre 820~860 °C. Após a normalização, costuma-se realizar um tratamento para eliminar as tensões internas geradas durante o processo.
4. Têmpera e Revenido do Ferro Dúctil
Para melhorar as propriedades mecânicas do ferro fundido dúctil, geralmente as peças fundidas são aquecidas a 30–50 °C acima de Afc1 (Afc1 representa a temperatura final da formação de A durante o aquecimento) e, após a manutenção térmica, são temperadas em óleo, obtendo‑se uma microestrutura de martensita. Para reduzir adequadamente as tensões residuais após a têmpera, costuma‑se realizar o revenido logo em seguida. A microestrutura resultante do revenido em baixa temperatura é composta por martensita revenida, bainita e grafite esferoidal. Essa estrutura apresenta boa resistência ao desgaste e é utilizada em peças que exigem elevada resistência ao desgaste e alta resistência mecânica. A temperatura de revenido em média temperatura situa‑se entre 350 e 500 °C. Após o revenido, a microestrutura consiste em troostita revenida e grafite esferoidal, sendo adequada para peças espessas que necessitam de boa resistência ao desgaste, estabilidade e elasticidade. Já a temperatura de revenido em alta temperatura varia de 500 a 600 °C. Nesse caso, a microestrutura resultante é sorbite revenida com grafite esferoidal, apresentando boas propriedades abrangentes de tenacidade e resistência, sendo amplamente empregada na produção.
5. Têmpera isotérmica do ferro dúctil
O ferro fundido dúctil pode obter alta resistência, boa plasticidade e tenacidade após o revenido isotérmico. A seleção da temperatura de aquecimento para o revenido isotérmico leva em consideração principalmente a obtenção de uma microestrutura composta exclusivamente por austenita, sem presença de ferrita residual, além de evitar o crescimento dos grãos de austenita. Em geral, a temperatura de aquecimento situa-se entre 30 e 50 °C acima da temperatura de transformação da austenita (Afc1), garantindo assim a formação de bainita inferior com propriedades mecânicas abrangentes. Após o revenido isotérmico do ferro fundido nodular de magnésio‑alumínio com terras raras, obtém‑se uma resistência à tração σb de 1200 a 1400 MPa, tenacidade ao impacto αk de 3 a 3,6 J/cm² e dureza HRC de 47 a 51. No entanto, é importante ressaltar que um processo de revenido deve ser adicionado após o revenido isotérmico.
6. Endurecimento superficial
Para melhorar a dureza superficial, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga de algumas peças fundidas, pode‑se recorrer à têmpera superficial. Tanto peças fundidas de ferro fundido cinzento quanto de ferro fundido dúctil podem ser submetidas à têmpera superficial. Em geral, utilizam‑se processos como a têmpera superficial por indução de alta (ou média) frequência e a têmpera superficial por contato elétrico.
7. Tratamento térmico químico
Para peças fundidas que requerem resistência ao desgaste superficial, resistência à oxidação e resistência à corrosão, pode‑se adotar um processo de tratamento térmico químico semelhante ao utilizado no aço, como a cloração suave a gás, a cloração, a boronização, a sulfurização, entre outros.