Aço Carbono Fundido: Propriedades e Principais Aplicações

O aço carbono fundido é uma categoria de aço caracterizada por seu alto teor de carbono e pelo método de produção, que envolve a fusão de metal em moldes. Esta classe de aço é principalmente classificada como aço de baixo carbono ou carbono médio, dependendo do teor de carbono, que normalmente varia de 0,05% a 0,30%. O principal elemento de liga no aço carbono fundido é o carbono (C), que influencia significativamente sua dureza, resistência e ductilidade. Outros elementos podem incluir manganês (Mn), silício (Si) e pequenas quantidades de enxofre (S) e fósforo (P), que podem afetar as propriedades mecânicas e o desempenho do aço.

Visão Geral Abrangente

O aço carbono fundido é conhecido por sua excelente usinabilidade e soldabilidade, tornando-se uma escolha popular em várias aplicações de engenharia. Suas características significativas incluem boa resistência à tração, resistência ao desgaste e a capacidade de ser tratado termicamente para melhorar suas propriedades. As propriedades inerentes do aço carbono fundido permitem seu uso em aplicações onde a força e a durabilidade são fundamentais.

Vantagens do Aço Carbono Fundido:
- Alta Resistência: Oferece boa resistência à tração e resistência de escoamento, tornando-o adequado para aplicações estruturais.
- Custo-efetivo: Geralmente menos caro do que aços de liga e aços inoxidáveis.
- Versátil: Pode ser facilmente fundido em formas complexas, reduzindo a necessidade de usinagem extensa.

Limitações do Aço Carbono Fundido:
- Susceptibilidade à Corrosão: Propenso a ferrugem e corrosão se não for tratado ou revestido adequadamente.
- Baixa Tenacidade: Comparado aos aços de liga, pode apresentar menor tenacidade, especialmente em baixas temperaturas.
- Desempenho Limitado em Altas Temperaturas: Não é ideal para aplicações que exigem resistência a altas temperaturas.

Historicamente, o aço carbono fundido desempenhou um papel crucial no desenvolvimento de máquinas industriais e infraestrutura, sendo amplamente utilizado na fabricação de componentes como engrenagens, eixos e estruturas.

Nomes Alternativos, Normas e Equivalentes

Organização Padrão	Designação/Classe	País/Região de Origem	Notas/Observações
UNS	C10, C20, C30	EUA	Equivalentes mais próximos dos aços de baixo e médio carbono
AISI/SAE	1020, 1045	EUA	Diferenças composicionais menores; 1020 é baixo carbono, 1045 é médio carbono
ASTM	A216	EUA	Especificação para fundidos de aço carbono
EN	1.0402, 1.0503	Europa	Classes equivalentes para aço carbono fundido de baixo e médio carbono
DIN	G20Mn5, G40Mn2	Alemanha	Designações para aços carbono fundidos com conteúdo específico de manganês
JIS	SCW 40	Japão	Padrão japonês para fundidos de aço carbono

As diferenças entre classes equivalentes podem afetar significativamente o desempenho. Por exemplo, enquanto o AISI 1020 e o 1045 são frequentemente considerados semelhantes, o maior teor de carbono no 1045 proporciona maior dureza e resistência, tornando-o mais adequado para aplicações que requerem propriedades mecânicas aprimoradas.

Propriedades Principais

Composição Química

Elemento (Símbolo e Nome)	Faixa de Percentagem (%)
C (Carbono)	0,05 - 0,30
Mn (Manganês)	0,30 - 0,90
Si (Silício)	0,10 - 0,40
P (Fósforo)	≤ 0,04
S (Enxofre)	≤ 0,05

O papel principal do carbono no aço carbono fundido é melhorar a dureza e a resistência por meio do endurecimento de solidificação e da formação de carbonetos. O manganês melhora a capacidade de endurecimento e a resistência à tração, enquanto o silício atua como desoxidante e pode aumentar a resistência do aço à oxidação.

Propriedades Mecânicas

Propriedade	Condição/Temperatura	Valor/Taça Típica (Unidades Métricas - SI)	Valor/Taça Típica (Unidades Imperiais)	Padrão de Referência para Método de Teste
Resistência à Tração	Recozido	370 - 480 MPa	54 - 70 ksi	ASTM E8
Resistência de Escoamento (0,2% offset)	Recozido	210 - 310 MPa	30 - 45 ksi	ASTM E8
Alongamento	Recozido	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Dureza (Brinell)	Recozido	120 - 180 HB	120 - 180 HB	ASTM E10
Resistência ao Impacto	Charpy V-notch, -20°C	20 - 40 J	15 - 30 ft-lbf	ASTM E23

A combinação dessas propriedades mecânicas torna o aço carbono fundido adequado para aplicações que requerem boa resistência e ductilidade, como componentes estruturais e partes de máquinas. Sua capacidade de ser tratado termicamente melhora ainda mais seu desempenho em ambientes exigentes.

Propriedades Físicas

Propriedade	Condição/Temperatura	Valor (Unidades Métricas - SI)	Valor (Unidades Imperiais)
Densidade	Temperatura Ambiente	7,85 g/cm³	490 lb/ft³
Ponto/M faixa de Fusão	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Condução Térmica	Temperatura Ambiente	50 W/m·K	29 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Capacidade Térmica Específica	Temperatura Ambiente	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividade Elétrica	Temperatura Ambiente	0,00001 Ω·m	0,00001 Ω·in

A densidade do aço carbono fundido contribui para sua força, enquanto sua condutividade térmica é essencial para aplicações envolvendo transferência de calor. A capacidade térmica específica indica quanta energia é necessária para aumentar a temperatura, o que é crucial em aplicações térmicas.

Resistência à Corrosão

Agente Corrosivo	Concentração (%)	Temperatura (°C/°F)	Avaliação de Resistência	Notas
Atmosférico	Varia	Ambiente	Regular	Propenso à ferrugem sem proteção
Cloretos	Varia	Ambiente	Fraco	Risco de corrosão em pitting
Ácidos	Varia	Ambiente	Não Recomendado	Altamente suscetível
Alcalino	Varia	Ambiente	Regular	Resistência moderada

O aço carbono fundido exibe resistência regular à corrosão atmosférica, mas é suscetível à ferrugem se não for adequadamente revestido ou mantido. Em ambientes com cloretos, é propenso ao pitting, enquanto a exposição a ácidos pode levar à degradação rápida. Comparado aos aços inoxidáveis, a resistência à corrosão do aço carbono fundido é significativamente menor, tornando-o menos adequado para aplicações marítimas ou químicas.

Resistência ao Calor

Propriedade/Limite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observações
Temp. Máx. de Serviço Contínuo	400 °C	752 °F	A partir deste ponto, as propriedades podem se degradar
Temp. Máx. de Serviço Intermitente	500 °C	932 °F	Exposição de curto prazo apenas
Temp. de Escurecimento	600 °C	1112 °F	Risco de oxidação nesta temperatura
Considerações de Força de Fluência	300 °C	572 °F	Começa a perder resistência

Em temperaturas elevadas, o aço carbono fundido pode experimentar oxidação e perda de propriedades mecânicas. A temperatura máxima de serviço contínuo indica o limite superior para exposição prolongada, enquanto a temperatura de escurecimento destaca o risco de degradação da superfície.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

Processo de Soldagem	Metal de Recaque Recomendado (Classificação AWS)	Gás/Fluxo de Escudo Típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argônio/CO2	Bom para seções finas
TIG	ER70S-2	Argônio	Soldas de alta qualidade
Stick	E7018	N/A	Adequado para seções mais grossas

O aço carbono fundido é geralmente considerado de boa soldabilidade, especialmente com os metais de preenchimento certos. O pré-aquecimento pode ser necessário para seções mais grossas para evitar rachaduras, e o tratamento térmico pós-solda pode melhorar a integridade da solda.

Usinabilidade

Parâmetro de Usinagem	Aço Carbono Fundido	AISI 1212	Notas/Dicas
Índice Relativo de Usinabilidade	70	100	Boa usinabilidade, mas varia com o teor de carbono
Velocidade de Corte Típica (Torneamento)	30-50 m/min	60-80 m/min	Ajustar com base nas ferramentas e configuração

O aço carbono fundido oferece boa usinabilidade, particularmente nas classes de baixo carbono. Velocidades de corte e ferramentas ideais podem melhorar o desempenho, enquanto o maior teor de carbono pode exigir ferramentas mais robustas devido ao aumento da dureza.

Formabilidade

O aço carbono fundido pode ser formado através de processos a frio e a quente. A formação a frio é adequada para seções mais finas, enquanto a formação a quente é preferida para materiais mais grossos. O material apresenta endurecimento por trabalho, o que pode afetar os raios de curvatura e os limites de formação.

Tratamento Térmico

Processo de Tratamento	Faixa de Temperatura (°C/°F)	Tempo Típico de Imersão	Método de Resfriamento	Propósito Primário / Resultado Esperado
Recozimento	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 horas	Ar ou água	Amolecimento, melhor ductilidade
Endurecimento	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 minutos	Óleo ou água	Endurecimento, aumento de resistência
Têmpera	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 hora	Ar	Redução da fragilidade, melhora da tenacidade

Os processos de tratamento térmico alteram significativamente a microestrutura do aço carbono fundido, melhorando suas propriedades mecânicas. O recozimento amolece o material, enquanto o endurecimento aumenta a dureza. A têmpera é essencial para aliviar tensões e melhorar a tenacidade.

Aplicações Típicas e Usos Finais

Indústria/Sector	Exemplo de Aplicação Específica	Principais Propriedades do Aço Utilizadas nesta Aplicação	Razão para Seleção (Breve)
Automotivo	Blocos de Motor	Alta resistência, boa usinabilidade	Durabilidade e desempenho
Construção	Vigas Estruturais	Alta resistência à tração, soldabilidade	Aplicações de suporte de carga
Máquinas	Caixas de Engrenagem	Resistência ao desgaste, tenacidade	Confiabilidade sob estresse
Petróleo & Gás	Componentes de Pipeline	Resistência à corrosão, resistência	Segurança e integridade

Outras aplicações incluem:
* - Componentes de maquinário pesado
* - Equipamento agrícola
* - Ferramentas e acessórios

O aço carbono fundido é escolhido para essas aplicações devido ao seu equilíbrio de resistência, usinabilidade e custo-efetividade, tornando-o adequado para uma ampla gama de usos industriais.

Considerações Importantes, Critérios de Seleção e Informações Adicionais

Característica/Propriedade	Aço Carbono Fundido	AISI 4140	Aço Inoxidável 304	Nota Breve de Prós/Contras ou Compensação
Propriedade Mecânica Chave	Boa resistência à tração	Maior resistência	Menor resistência	O 4140 oferece melhor resistência, mas a um custo maior
Aspecto Chave de Corrosão	Resistência regular	Boa resistência	Excelente resistência	O aço inoxidável é superior em ambientes corrosivos
Soldabilidade	Boa	Regular	Excelente	O aço inoxidável requer técnicas especiais
Usinabilidade	Boa	Regular	Pobre	O aço carbono fundido é mais fácil de usinar
Formabilidade	Boa	Regular	Pobre	O aço inoxidável é menos formável
Custo Aproximado Relativo	Baixo	Médio	Alto	Custo é um fator significativo na seleção
Disponibilidade Típica	Alta	Média	Alta	O aço carbono fundido está amplamente disponível

Ao selecionar aço carbono fundido, as considerações incluem custo-efetividade, disponibilidade e requisitos específicos da aplicação. Embora ofereça boas propriedades mecânicas e usinabilidade, sua suscetibilidade à corrosão pode exigir revestimentos ou tratamentos protetores em certos ambientes. Compreender os trade-offs entre o aço carbono fundido e materiais alternativos é crucial para a seleção otimizada de materiais em aplicações de engenharia.