TECNOLOGIA MECÂNICA I

Transcrição

1 1 CONTEÚDO DA APOSTILA Propriedades dos Materiais Propriedades físicas e químicas. Elasticidade, plasticidade, resistência mecânica, dureza, ductilidade, tenacidade, fragilidade e resiliência. Materiais Metálicos Ferrosos Átomos e ligações atômicas, Estrutura cristalina, Alotropia ou polimorfismo, Soluto, Solvente, Limite de solubilidade Solução sólida substitucional e intersticial, Solidificaficação de um metal, formação de cristais e grãos, Diagrama Fe-C e microestruturas dos aços TECNOLOGIA MECÂNICA I CURSO TÉCNICO EM MECÂNICA Processo de Fabricação dos aços Definição de aço, Preparação da matéria prima: sinterização e coqueificação Produção do ferro gusa alto forno Produção do aço aciaria e tipos de conversores e fornos elétricos Refino, Lingotamento, Conformação mecânica laminação a quente. Classificação e Propriedades dos Aços e Ferros Fundidos Aços carbono, Aços liga, Aços inoxidáveis e Aços ferramentas Tipos de Ferros Fundidos (branco, cinzento, maleável e nodular). Metais Metálicos não Ferrosos propriedades, classificação e aplicações Ligas de alumínio, ligas de cobre, ligas de zinco e ligas de titânio. Elaboração: Professora Maria Cristina Carrupt Ferreira Borges Materiais Não Metálicos propriedades, classificação e aplicações Materiais cerâmicos, polímeros e compósitos.

2 2 1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS A resistência à corrosão é uma propriedade química. Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades. Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propriedades podem ser classificadas em dois grupos: - Físicas; - Químicas. Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se referem à forma como os materiais reagem aos esforços externos, apresentando deformação ou ruptura. As principais propriedades mecânicas são: elasticidade, plasticidade, resistência mecânica, dureza, ductilidade, fragilidade, tenacidade e resiliência. Propriedades Físicas É a capacidade de sofrer deformação (alteração na forma), sem sofre mudança na composição química. ELASTICIDADE Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava. Ex.: Se colocarmos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composição química inalterada. Propriedades Químicas Quando existe alteração na composição química. Ex.: uma barra de aço (ferro + carbono) exposta ao tempo sofre corrosão formação de óxido de ferro. Com isso, a composição da barra de aço passa a ser ferro + carbono + óxido de ferro. Associada à elasticidade está a deformação elástica (deformação temporária).

3 3 PLASTICIDADE É a capacidade que um material tem de apresentar deformação permanente apreciável, sem se romper. DUREZA Para um metalurgista, dureza significa a resistência à deformação plástica (deformação permanente). Associada à plasticidade está a deformação plástica (deformação permanente). Para os mecânicos, dureza é a resistência à penetração de um material duro, em outro (princípio do ensaio de dureza). RESISTÊNCIA MECÂNICA É a capacidade que o material tem de suportar a esforços externos (tração, compressão, dobramento etc.), sem se romper. Veja a seguir, a representação desses esforços externos. DUCTILIDADE Pode ser considerado o inverso da dureza, para os metalurgistas. É a capacidade que um material tem de aceitar a deformação plástica. Quanto maior for o grau

4 4 de deformação plástica que se consegue, sem que ele se rompa, maior é a ductilidade do material. que ultrapassem a deformação elástica, eles se rompem. Exemplos de materiais frágeis são: concreto, cerâmicas, vidros etc. Dessa forma, quanto mais duro for o material, menos dúctil ele será. RESILIÊNCIA TENACIDADE Tenacidade é a capacidade que o material tem de absorver energia durante o impacto e transformá-la em deformação plástica. Uma forma de exemplificar a tenacidade é comparando o material da carroceria dos carros antigos com as dos novos. Nos carros antigos, esse material apresentava dureza e resistência mecânica elevadas. Porém, durante uma batida, devido a sua baixa tenacidade, não eram capazes de absorver energia para a deformação plástica (eles quase não amassavam) e a energia do impacto era transferida para o motorista. Nos carros de hoje, o material da carroceria possui elevada tenacidade e, com isso, durante um impacto absorvem a energia e a transformam em deformação plástica. É a capacidade que o material tem de absorver energia durante a deformação elástica e de liberá-la quando o esforço é retirado. 2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS QUÍMICOS E METALÚRGICOS 2.1 ÁTOMOS E LIGAÇÕES ATÔMICAS A tenacidade e a ductilidade andam sempre juntas. Materiais que apresentam boa ductilidade terão boa tenacidade. FRAGILIDADE Materiais frágeis são aqueles que não apresentam nenhuma deformação plástica, apenas deformação elástica. Quando esses materiais são submetidos a esforços O início de tudo é o átomo. Átomo significa indivisível. Os átomos são partículas infinitamente pequenas, indivisíveis que constituem a menor parte da matéria. São compostos por duas partes: núcleo onde se encontram os prótons e nêutrons e a eletrosfera onde se encontram os elétrons. Prótons são partículas carregadas positivamente, enquanto os elétrons são partículas carregadas negativamente. Já os nêutrons possuem carga nula.

5 5 ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS Existem três tipos principais de ligação entre átomos. São eles: ligação iônica (NaCl), ligação covalente (CH 4 ) e ligação metálica (Cobre). Existe ainda, um tipo de ligação considerada a mais fraca de todas que é a ligação de Van der Waals (pontes de hidrogênio). Ligação Metálica É o tipo mais simples de ligação e o mais fácil de descrever: átomos com um, dois ou três elétrons de valência (da camada mais externa) facilmente libertam esses elétrons, tornando-se íons carregados positivamente. O NaCl (cloreto de sódio sal de cozinha) e o MgO (óxido de magnésio) são exemplos de sólidos em que predomina esse tipo de ligação. Para formar-se o NaCl há transferência dos elétrons de valência do átomo de Na (sódio) para o átomo de Cl (cloro). Portanto, a característica principal dessa ligação é a transferência de elétrons de um átomo para outro. Ligação Covalente Neste caso, um átomo compartilha seus elétrons com um átomo adjacente. O exemplo mais simples é encontrado na molécula de hidrogênio, em que são necessários dois átomos de hidrogênio para formar sua molécula. Átomos diferentes podem igualmente combinar=se para formar moléculas com ligação covalente. Exemplos: fluoreto de hidrogênio HF; água H 2 O; amônia NH 3 ; metano CH 4 etc. Ligação de Van der Waals É a ligação interatômica ou intermolecular mais fraca e que ocorre entre átomos de gases inertes. Nestes gases, a órbita mais externa (de valência) está completa e, em conseqüência, os seus átomos possuem atração mútua muito pequena. Nessa ligação, ocorre apenas influência mútua das ondas eletrônicas estacionárias sem que os elétrons sejam compartilhados. Ligação Metálica Nesta ligação, os elétrons são compartilhados por inúmeros átomos. Este tipo de ligação pode ser mais facilmente explicado da seguinte maneira: se num átomo existirem apenas poucos elétrons de valência, eles podem ser removidos de modo relativamente fácil, ao passo que os elétrons restantes são mantidos firmemente ligados ao núcleo. Os elétrons de valência movimentam-se livremente entre as órbitas de valência dos outros átomos, formando uma espécie de nuvem eletrônica. Assim, admite-se que na ligação metálica, o átomo se acha constantemente no estado de perder, adquirir ou compartilhar elétrons de valência com os átomos vizinhos.

6 6 Fase Esse termo define uma porção homogênea de um sistema. Essa porção possui uniformidade em suas características físicas e químicas. Ex.: Um copo com água e açúcar. Do conceito acima, surge a definição mais científica de metal: elemento que prontamente perde elétrons, de modo a criar uma ligação metálica e resultar condutibilidade elétrica. Sistema = água + açúcar Componentes = água e açúcar Fase = 1º caso: quando o açúcar encontra-se totalmente dissolvido na água; 2º caso: a quantidade de açúcar for aumentada até o ponto no qual não se consegue mais dissolver todo o açúcar na água. 2.2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Componente Este termo será utilizado para definir um metal puro e/ou os componentes individuais que formam uma liga metálica. Ex.: a liga Fe-C (aço) possui dois componentes: Ferro e Carbono No primeiro caso existe apenas uma fase líquida, composta por dois componentes (água e açúcar). No segundo caso, haverá um excesso de açúcar no fundo do copo. Nesse caso, teremos duas fases: uma líquida (açúcar + água) e uma fase sólida precipitada composta apenas por açúcar. Sistema Define um material, equipamento ou um corpo em consideração. Ou, relata uma mistura de componentes que irá formar uma liga. Ex.: a liga Fe-C (aço) é um sistema

7 7 2.3 SISTEMAS E RETICULADOS CRISTALINOS ESTRUTURA CRISTALINA Os metais, ao se solidificarem, cristalizam, ou seja, os seus átomos que, no estado líquido, estavam se movimentando e distribuídos a esmo, localizam-se em posições relativamente definidas e ordenadas, que se repetem em três dimensões, formando uma figura geométrica regular que é o cristal. Existem sete sistemas cristalinos: triclínico, monoclínico, ortorrômbico, hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico. De acordo com a disposição dos átomos, originam-se desses sistemas 14 possíveis distribuições dos referidos átomos, formando os chamados reticulados cristalinos ou redes, designados com o nome de reticulados Bravais. As estruturas representadas na figura ao lado são chamadas de células unitárias e são a menor parte do reticulado cristalino. O modelo de cristalização pode ser mais bem compreendido ao verificar-se o que acontece quando um metal solidifica no interior de um recipiente (ver figura abaixo). As principais células unitárias que se formam (1º quadro), em pontos diferentes, crescem geralmente pela absorção de outras (2º, 3º, 4º e 5º quadro), até se encontrarem formando um contorno irregular que delimita uma área onde estão compreendidas milhares daquelas pequenas células (6º quadro).

8 8 Em resumo, cada grão é constituído por milhares de células unitárias. Estas, por sua vez, consistem em grupos de átomos que se dispuseram em posições fixas, formando figuras geométricas típicas. Essas disposições fixas dão, pois, origem aos reticulados cristalinos. Os principais reticulados cristalinos, segundo os quais cerca de dois terços dos metais se cristalizam, são do sistema cúbico e do sistema hexagonal. Um conjunto de células unitárias forma o cristal com contornos geométricos, o qual, ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento e devido aos pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se grão. Ou seja, enquanto os conjuntos de células unitárias não se tocam, são chamados de cristais. Quando passam a se tocar e, com isso, possuírem contornos irregulares, passam a ser denominados grãos (6º quadro). A interface entre um grão e outro, ou seja, a linha que separa os grãos é chamada de contorno de grão. Veja a figura abaixo. A estrutura cristalina determina, entre outros fatores, as propriedades físicas do material. Compostos formados pelos mesmos elementos podem ter características totalmente diferentes devido a diferentes estruturas cristalinas. Para exemplificar isto, podemos citar o carbono, que pode formar grafite ou diamante (o mineral de maior dureza), de acordo com a organização dos seus átomos

9 9 2.5 SOLUTO, SOLVENTE, SOLUÇÃO SÓLIDA E LIMITE DE SOLUBILIDADE SOLUÇÃO SÓLIDA Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se dissolvem a ponto de manter a água totalmente cristalina. Nesse caso, temos uma solução líquida. Diamante 2.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO Grafite O termo solução sólida, tem a mesma idéia, entretanto, refere-se a materiais no estado sólido. Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente B se misturar a estrutura do componente A de tal forma a manter uma condição de fase única. Essa mistura pode ser substitucional ou intersticial. Alotropia ou polimorfismo é a propriedade que certos metais, como o ferro, apresentam de possuírem reticulados cristalinos diferentes, conforme a temperatura. No caso do ferro, por exemplo, tem-se: - Temperatura ambiente até 912 C = CCC (fase α) - de 912 C a 390 C = CFC (fase ) - de 390 C a 1534 C = CCC (fase ) A mudança alotrópica é reversível. Substitucional Intersticial

10 10 Substitucional Os átomos dos componentes A e B possuem tamanhos parecidos. Com isso, quando o átomo do componente B entrar na estrutura formada pelo átomo do componente A, irá ocupar o lugar de um átomo de A, ou seja, vai substituí-lo. Intersticial O átomo do componente B é bem menor que o átomo do componente A. Dessa forma, o átomo do componente B entra na estrutura formada pelo átomo de A, ocupando os espaços vazios entre dois ou mais átomos do componente A. Esses espaços entre os átomos são chamados de interstícios. Daí o nome de intersticial. OBS.: No caso da liga Fe-C (aços) o carbono (soluto) entra na estrutura do ferro (solvente), ocupando os espaços intersticiais. Portanto, a liga Fe-C constitui uma solução sólida intersticial. Dizemos que o carbono é um elemento intersticial do ferro. soluto não poderão mais existir dissolvidos nos átomos do componente solvente, ocorrendo a partir daí a precipitação de uma nova fase. Esse limite da quantidade do componente B que o componente A pode receber é chamando limite de solubilidade. Um exemplo é a solubilidade do açúcar na água, representada pelo diagrama abaixo. LIMITE DE SOLUBILIDADE Admitindo que o componente B (soluto) seja adicionado ao componente A (solvente), para formar uma solução sólida, sabe-se que para uma determinada temperatura, deverá existir um limite da quantidade do componente B que o componente A é capaz de absorver. Após esse limite, os átomos do componente

11 11 O limite de solubilidade pode mudar de acordo com a temperatura e com o teor dos componentes presentes no sistema. 2.6 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO É um gráfico, obtido através de experiências, que apresenta as temperaturas em que ocorrem as diversas transformações da liga Fe-C, em função do seu teor de carbono. Como se trata de um diagrama de equilíbrio, ele só se aplica a aços resfriados muito lentamente. Se o resfriamento for rápido aparecerão outros constituintes não previstos (para estes deve ser utilizado o diagrama TTT, que será visto adiante). Durante o resfriamento verifica-se que existe para cada aço, de acordo com seu teor de carbono, uma certa temperatura na qual começa a solidificação, que prossegue à medida que a temperatura cai, até atingir uma outra temperatura, também definida, onde a solidificação termina. O lugar dos pontos de início de solidificação chama-se linha do liquidus, porque acima dela o aço está completamente líquido. O lugar dos pontos de fim de solidificação intitula-se linha do solidus, porque abaixo dela o aço está inteiramente sólido. Entre essas duas linhas o aço está, portanto, em parte ainda líquido e em parte já sólido. A linha GE S e a horizontal de 723 C chamam-se Linhas de Transformação. Essas linhas são importantes porque marcam o início e o fim das transformações no estado sólido e a região delimitada por essas linhas denomina-se zona crítica. O ponto E chama-se Ponto Eutetóide e corresponde a um aço com 0,8% de carbono. Aços com esse teor de carbono são chamados aços eutetóides, enquanto que aços com teor de carbono maior ou menor do que 0,8% são chamados, respectivamente, de aços hipereutetóides e hipoeutetóides.

12 12 CONSTITUINTES DO DIAGRAMA FERRO-CARBONO FERRITA ( ) - Solução sólida de carbono em Ferro com estrutura CCC, chamada Fe- ; - Muito mole e dúctil: L.R. < 32 Kgf/mm²; - Devido ao baixo teor de carbono, pode ser tratada como ferro puro; - Estrutura estável em temperaturas abaixo de 912ºC. - Forma-se por difusão, nucleando preferencialmente nos contornos de grão da austenita. Com o aumento da taxa de resfriamento, passa a nuclear também no interior do grão austenítico. - A microestrutura da ferrita apresenta domínio de uma única fase. - O nome Ferrita vem do latim Ferrum. AUSTENITA ( ) - Solução sólida de carbono em Ferro com estrutura CFC, chamada Fe- ; - Mole e dúctil; - Pode ter até 2,11 % de carbono em solução; - Por definição, aços contêm menos de 2% de carbono, consequentemente todo o carbono dos aços acha-se dissolvido na austenita, em temperaturas elevadas; - O nome Austenita é uma homenagem ao seu descobridor, o metalurgista inglês Roberts Austen. FERRO - - Estrutura cristalina CCC do ferro puro acima de 1394ºC; - Análogo ao Fe-, contudo a solubilidade do carbono é apreciavelmente maior devido a temperatura ser mais elevada; CEMENTITA OU CARBONETO DE FERRO (Fe3C) - Combinação entre o excesso de carbono e o ferro do aço formando uma segunda fase o carboneto de ferro ou Cementita; - Comparada com a austenita e a ferrita, é muito dura, porém extremamente frágil; - A composição Fe3C indica que existem átomos de Fe e C na proporção de 3 para 1. - Célula unitária Ortorrômbica com 12 (doze) átomos de Ferro e 4 (quatro) átomos de Carbono; - O nome Cementita vem do latim, Caementum. PERLITA ( +Fe3C) - É composta de camadas alternadas de ferrita e cementita; - Sua propriedade mecânica é intermediária à da ferrita e da cementita; - Sua resistência à tração é, em média, 75 Kgf/mm²;

13 13 - Pode se formar em quase todos os aços por meio de tratamento térmico adequado. austenita restante se transforma em perlita. Teremos então núcleos de perlita rodeados de cementita. MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESFRIAMENTO LENTO De acordo com o teor de carbono, durante o resfriamento de um aço poderemos ter diferentes quantidades de cada um dos constituintes mostrados acima. No resfriamento dos aços eutetóides (C=0,8%), a solidificação do material gera a austenita, que permanece estável até atingir a linha de 723 C, onde se decompõe em cementita e ferrita, formando a estrutura conhecida por perlita. Teremos então uma microestrutura com 100% de perlita. Para os aços hipoeutetóides (C<0,8%), a decomposição da austenita começa a ocorrer ao atingir a linha GE S, formando certa quantidade de ferrita. Resfriando até 723 C, a austenita restante (que não se transformou em ferrita) se decompõe formando a perlita. Dessa forma, a estrutura final observada neste aço será de núcleos de perlita envoltos por grãos de ferrita. No caso dos aços hipereutetóides (C>0,8%), resfriando-se até a linha GE S começa a haver formação de cementita, até atingir a temperatura crítica (723 C), onde a

14 14 3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS AÇOS 3.1 PREPARO DAS MATÉRIAS PRIMAS - COQUEIFICAÇÃO E SINTERIZAÇÃO ACO: É uma liga contendo basicamente ferro e carbono (Fe-C), com no máximo 2,11% de carbono. A obtenção do aço ocorre de uma série de operações de transformação metalúrgica e de conformação mecânica. Em se tratando de uma usina integrada, pode-se dividir sua produção em cinco grandes etapas: 1. Preparo das matérias primas (coqueificação e sinterização); 2. Produção do ferro-gusa (alto forno); 3. Produção do aço (aciaria conversor L.D. ou fornos elétricos); 4. Refinamento e lingotamento; 5. Conformação mecânica (laminação a quente). Para a obtenção do aço são necessárias duas matérias primas principais: o minério de ferro e o coque (carvão mineral). O carvão mineral destina-se a fornecer energia térmica e química necessárias à redução do minério de ferro que é a matéria principal para a obtenção do aço. COQUEIFICAÇÃO É uma operação para a eliminação de impurezas, antes da etapa do alto forno. A coqueificação é feita na área chamada coqueria. Na coqueria, o carvão sofre destilação em ausência de ar, com liberação de substâncias voláteis, o que se dá a uma temperatura em torno de 1300 C, em média durante 18 horas. O produto resultante é o coque metalúrgico, que é um resíduo poroso, composto basicamente de carbono, com elevada resistência mecânica e alto ponto de fusão. SINTERIZAÇÃO Similarmente ao caso do carvão, uma operação prévia é feita com o minério de ferro bruto, antes de sua entrada no alto-forno. Esta operação chama-se sinterização. O objetivo da sinterização é aglomerar os finos de minério de ferro

15 15 (vindos direto da área de extração) para se obter pedras com dimensões mais adequadas ao processo seguinte que é a fabricação do ferro gusa, no alto forno. O processo consiste na adição de um fundente (finos de calcário e finos de coque) aos finos de minério de ferro. Essa mistura é levada a um forno contínuo e quando a temperatura atinge a temperatura de fusão do coque, toda a mistura se funde formando uma massa única. Após o resfriamento, ocorre a britagem dessa massa e são obtidas partículas sólidas de dimensão superior a 5 mm, chamadas se sinter. 3.2 PRODUÇÃO DO FERRO GUSA Com a obtenção do coque e do sinter, parte-se para a obtenção do ferro gusa, no alto forno.

16 16 ALTO FORNO São equipamentos modernos com aproximadamente 35m de altura e que se dividem em três partes: cuba rampa e cadinho. A cuba chega a compor 2/3 da altura desse equipamento. etapa seguinte (aciaria) e a escória, após resfriada, pode ser vendida para fábricas de cimento. O alto forno é alimentado, constantemente, de cima para baixo pela boca. A carga do alto forno é constituída por coque, sinter e fundente (calcário). Na cuba, a carga ainda é sólida. A fusão acontece na rampa e, que fica entre a cuba e o cadinho. À medida que a fusão ocorre, a massa líquida que se forma desce para o cadinho e a carga sólida da cuba desce para a rampa para ser fundida também. No cadinho, as impurezas se agrupam e forma-se a escória, que se separa do gusa líquido por diferença de densidade. A escória fica na superfície. O vazamento é feito por canais diferentes, valendo-se do processo de decantação. O ferro gusa líquido segue no carro torpedo (figura a baixo) para a PROCESSO DE OBTENÇÃO DO FERRO GUSA Inicialmente tem-se o minério de ferro na forma de sinter, que é composto pelo metal ferro (Fe) e por impurezas denominadas ganga. Primeiro, é necessário liberar o Fe da ganga usando um redutor, que nesse caso é o coque. A redução do minério de ferro nada mais é do que a retirada do oxigênio. Para que a redução ocorra é necessário fornecer uma grande quantidade de calor que é obtida da própria queima do coque. O oxigênio liberado se junta a uma parte do

17 17 carbono presente no coque e forma alguns dos resíduos desse processo, que são: monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO 2 ). (2,11%C no máximo) é necessário o processo de conversão do ferro gusa em aço, que acontece na próxima etapa. O Fe já em estado líquido liga-se também ao carbono presente no coque e se acumula no fundo do alto forno (cadinho). Os fundentes ajudam na aglomeração da ganga formando a escória. 3.3 PRODUÇÃO DO AÇO - ACIARIA Dentro do alto forno, tem-se a seguinte sequência de acontecimentos: Introduz-se a carga, composta de sinter, coque e fundente; Entre 300 C e 350 C ocorre a dessecação o vapor de água contido na carga é eliminado; Entre 350 C e 750 C ocorre a redução o óxido de ferro (minério de ferro) perde o oxigênio. Entre 750 C e 1150 C ocorre carburação o Fe combina-se com o carbono formando o ferro gusa; Entre 1150 C e 1800 C ocorre a fusão o gusa passa para o estado líquido. Em torno de 1600 C ocorre a liquefação o gusa se separa da escória. Embora o ferro gusa seja uma liga constituída basicamente de Fe + C, ainda não pode ser considerado aço devido ao seu elevado teor de carbono que fica entre 4% e 4,5%. Para que esse valor chegue a níveis compatíveis com o do aço Nas usinas integradas, a obtenção do aço acontece com o processo de conversão do ferro gusa (vindo do alto forno) em aço, por meio de um equipamento chamado conversor. Esse processo consiste em baixar o teor de carbono presente no ferro gusa (aproximadamente 4,5%C) para teores que correspondam aos do aço (máximo 2,11%C). Já no caso de industrias de reciclagem de aço (não integradas), o processo de obtenção do aço acontece em um forno elétrico e a matéria prima do processo é, principalmente, a sucata sólida de aço. TIPOS DE CONVERSORES O homem tenta obter o aço desde 1500 a.c., por meio de buracos no solo onde eram colocados ferro e carvão. Com o passar dos tempos, esse método foi evoluindo e os fornos começaram a ficar com uma parte acima do solo, até chegar aos conversores que conhecemos hoje.

18 18 Existiram, através dos tempos, diversos tipos de conversores entre os principais estão: Conversor Bessemer, o Siemens-Martin e o atual Conversor L.D., além dos fornos elétricos para a reciclagem do aço. CONVERSOR BESSEMER ( ) Este conversor trabalhava somente com ferro gusa, que era sempre introduzido no estado de fusão. O seu princípio de funcionamento é a passagem de ar comprimido ou oxigênio através da massa líquida (ferro gusa em estado de fusão), que oxida e elimina as impurezas e o carbono, mantendo elevada a temperatura do material em fusão, que gira em torno de 1700 C. SIEMENS-MARTIN Trata-se de um forno horizontal longo, com diversas aberturas laterais por onde se processa a carga, sendo o escoamento do aço líquido feito por intermédio de pequenos canais que vêm do fundo do leito do forno e saem em sentido oposto às aberturas de carga. CONVERSOR L.D. O processo de conversão L.D. foi idealizado em 1948 por Durrer. Plantas pilotos foram testadas nas cidades de Linz e Donawitz, daí o nome L.D. O calor no interior do forno é conseguido mediante a queima de um combustível gasoso ou a óleo que é insuflado em uma das extremidades do forno. Os gases são exalados pela extremidade oposta. Esses gases antes de saírem, passam por um regenerador para que possam ceder calor ao combustível que entra. A composição do ferro gusa apresenta, como já foi dito, cerca de 4,5%C além de 0,4% de fósforo, que impossibilita sua conformação mecânica. Para converter ou transformar o ferro gusa em aço é necessário a redução dos teores de carbono, fósforo e silício.

19 19 Os conversores são carregados com gusa líquido, sucata de aço sólida e uma escória básica contendo CaO, CaF 2 e MgO. Oxigênio puro é injetado, por meio de lanças, por cima do conversor, ou pelo fundo, ou ainda pela combinação de ambos. A injeção promove a oxidação controlada do C e Si, gerando calor para a carga. Após o sopro de oxigênio, o conversor é escorificado e o aço líquido segue para o lingotamento convencional ou contínuo, ou para instalações de metalurgia de panela (operação de refino). FORNOS ELÉTRICOS O forno elétrico ou, forno elétrico a arco, na realidade é um grande recipiente, basculante, com duas aberturas diametralmente opostas, sendo uma para carga do material sólido e a outra por onde é vertida a massa líquida. Esse forno é carregado com sucata sólida de aço e fundentes. O calor é fornecido por arco voltaico que se forma entre os eletrodos verticais (geralmente de grafite) e o banho por meio de efeito Joule, ou seja, a passagem da corrente elétrica pela carga gera o calor necessário para a fusão do material.

20 20 Durante a queima do material é comum a injeção de oxigênio que ajuda a esquentar a corrida, fundir mais rapidamente o material sólido e queimar carbono. A partir desse procedimento, fica nítida a separação da escória do aço líquido. Nesses fornos, o aço líquido permanece por aproximadamente 40 minutos a uma temperatura da ordem de 1600 C. Após esse período de refino, o aço é submetido ao processo de lingotamento. O ajuste de composição costuma ser feito no próprio forno e, nesse caso, a injeção de oxigênio ajuda na homogeneização do banho. Com a composição ajustada dentro dos requisitos de propriedade mecânica, o aço líquido é transferido para a panela de vazamento e segue para a área de fundição ou lingotamento. LINGOTAMENTO O lingotamento consiste na solidificação do aço produzido no conversor L.D. e refinado, com o objetivo de produzir lingotes para os processos de conformação mecânica. O lingotamento pode ser convencional ou contínuo e o produto dessa operação é chamado de lingote ou placa ou tarugo. Convencional: o aço é solidificado em ligoteiras fixas (estáticas), de maneira a 3.4 REFINO E LINGOTAMENTO REFINO Na operação de refino são feitos ajustes na composição química do aço líquido vindo do conversor. Essa etapa é feita em fornos menores conhecidos como fornos panela e a operação de ajuste de composição é comumente chamada de metalurgia de panela. produzir tarugos (ver figura abaixo). Contínuo: o metal líquido é solidificado em ligoteiras refrigeradas, de maneira a produzir placas ou lingotes. Após resfriados, os lingotes, placas ou tarugos são encaminhados para pátios de estocagem, onde aguardam pela programação de produção para serem encaminhados à etapa de conformação mecânica, que é a última parte do processo de fabricação dos aços.

21 CONFORMAÇÃO MECÂNICA LAMINAÇÃO A QUENTE Após o lingotamento, a conformação mecânica que pode se seguir é a laminação a quente. Esse processo consiste basicamente em reaquecer as placas, lingotes ou tarugos e submetê-los a esforços de compressão vertical e lateral, de maneira a haver redução de secção transversal. Lingotamento convencional lingoteiras estáticas Esse esforço de compressão é transmitido às placas por meio de uma combinação de cilindros denominada cadeiras de laminação. Os laminadores são formados por várias cadeiras de laminação, dispostas em linha, agrupadas de acordo com o grau de deformação que promovem. Os tipos mais comuns de laminadores são: duo dois cilindros de trabalho; trio dois cilindros de encosto e um de trabalho; quadruo dois cilindros de trabalho e dois cilindros de encosto. Os cilindros de encosto possuem um diâmetro muito maior que os dos cilindros de trabalho. Lingotamento contínuo lingoteiras refrigeradas Cadeira de laminação laminador quádruo

22 22 A laminação a quente de produtos planos, pode ser dividida em 5 etapas: reaquecimento das placas, laminação de desbaste, laminação de acabamento, lamina flow e bobinamento. REAQUECIMENTO DAS PLACAS As placas são levadas para um forno horizontal, divido em zonas: préaquecimento, aquecimento, encharque e extração, onde atingem temperaturas entre 950 C e 1100 C. LAMINAÇÃO DE DESBASTE As barras reaquecidas são forçadas a passar por cilindros onde ocorrem as maiores reduções de espessura e, onde, geralmente, a largura é mantida constante. O balanço de massa é compensado com o aumento do comprimento. também um tratamento térmico onde, por meio de transformações metalúrgicas o aço adquire as propriedades mecânicas necessárias para cada utilização. BOBINADEIRA É o equipamento responsável por enrolar as tiras, formando as bobinas. O número de tipos de aço é muito elevado, pois além dos aços simplesmente ao carbono com teores variáveis de carbono, é muito grande a quantidade de aços ligados. Para facilitar sua seleção, associações técnicas especializadas classificaram os aços pela sua composição química, dando origem aos SAE e AISI (americanos), DIN (alemão) e ABNT (brasileiro). LAMINAÇÃO DE ACABAMENTO Geralmente é um conjunto de 7 cadeiras de laminação, muito próximas umas das outras, e a tira passa ao mesmo tempo pelas 7 cadeiras. Nessa seção são feitos os ajustes finos de espessura. LAMINA FLOW Banco de chuveiros que são responsáveis pelo resfriamento da tira para que ela atinja a temperatura ideal para o bobinamento. Esse resfriamento promove O sistema brasileiro ABNT baseou-se nos sistemas americanos, considerando o percentual de carbono e os elementos de liga. Já o sistema DIN considera um valor mínimo de resistência à tração. Veja, a seguir, como é classificado cada um dos grupos abaixo, segundo o sistema SAE-AISI, adotado no Brasil.

23 23 4. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS E DOS FERROS FUNDIDOS 4.1 AÇO CARBONO elevadas e em seções finas para serem efetivos. Possuem maiores resistência e dureza e menores tenacidade e ductilidade do que os aços baixo carbono. Alto carbono: são os de maiores resistência e dureza, porém de menor Os aços-carbono possuem na sua composição apenas quantidades limitadas dos elementos Carbono, Silício, Manganês, Cobre, Enxofre e Fósforo. Outros elementos existem apenas em quantidades residuais. A quantidade de Carbono presente no aço define a sua classificação: Baixo carbono - possuem no máximo 0,30% de carbono; Médio carbono - possuem de 0,30% a 0,60% de carbono; Alto carbono - possuem de 0,60% a 1,00% de carbono. ductilidade entre os aços carbono. São quase sempre utilizados na condição temperada e revenida, possuindo boas características de manutenção de um bom fio de corte. QUALIDADE Os aços-carbono seguem uma divisão padronizada na indústria, o que permite que fornecedores e consumidores se comuniquem com maior eficiência. Os grupos de descrição de qualidade utilizados são os seguintes: CARACTERÍSTICAS Baixo carbono: Os aços baixo carbono possuem, normalmente, baixas resistência e dureza e altas tenacidade e ductilidade. Além disso, são bastante usináveis e soldáveis e apresentam baixo custo de produção. Estes aços normalmente não são tratados termicamente. Médio carbono: possuem uma quantidade de carbono suficiente para a realização de tratamentos térmicos de têmpera e revenido, muito embora seus tratamentos térmicos necessitem ser realizados com taxas de resfriamento - Semi-acabados para forjamento - Bobinas laminadas a quente - Estrutural - Bobinas laminadas a frio - Placas - Folhas-de-flandres - Barras laminadas a quente - Arames - Barras acabadas a frio - Arame achatado - Chapas finas laminadas a quente - Tubos - Chapas finas laminadas a frio - Tubos estruturais - Chapas com esmaltagem porcelânica - Tubos para oleodutos - Chapas chumbadas compridas - Produtos tubulares para campos petrolíferos

24 24 - Chapas galvanizadas - Produtos tubulares especiais - Chapas revestidas por zincagem - Fios-máquina laminados a quente eletrolítica - 10xx: Aço-carbono comum (Mn: 1,00% máx.) 11xx : Ressulfurado 12xx : Ressulfurado e Refosforizado 15xx : Aço-carbono comum (Mn : 1,00 a 1,65%) CLASSIFICAÇÃO Os aços, em geral, são classificados em Grau, Tipo e Classe. Grau: normalmente identifica a faixa de composição química do aço; Tipo: identifica o processo de desoxidação utilizado; Classe: é utilizada para descrever outros atributos, como nível de resistência e acabamento superficial. A designação do Grau, Tipo e Classe utiliza uma letra, número, símbolo ou nome. Existem vários sistemas de designação para os aços, como o SAE (Society of Automotive Engineers), AISI (American Iron and Steel Institute), ASTM (American Society os Testing and Materials) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). A normalização unificada vem sendo utilizada com frequência cada vez maior, e é designada pela sigla UNS (Unified Numbering System). Os aços que possuem requisitos de temperabilidade adicionais recebem a adição de um H após a sua classificação. Obs.: Os últimos dois dígitos, representados pelo xx, representam o conteúdo de carbono do aço. Exemplos: SAE 1010 aço carbono comum, com 0,10%C (Mn: 1,00% máximo); SAE 1045 aço carbono comum, com 0,45%C (Mn: 1,00% máximo); SAE 1125 aço carbono ressulfurado com 0,25%C SAE 1515 aço carbono comum, com 0,15%C (Mn: 1,00% a 1,65%) SAE 1220 aço ressulfurado e refosforizado, com 0,20%C APLICAÇÕES SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO O sistema de classificação mais adotado na prática é o SAE-AISI. Nele, o açocarbono utiliza o grupo 1xxx, e é classificado da seguinte forma: Baixo carbono: suas aplicações típicas são chapas automobilísticas, perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos, construção civil, pontes e latas de folhas-de-flandres.

25 25 Médio carbono: são utilizados em rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica e ao desgaste e tenacidade. Alto carbono: tem grande aplicação em talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas. 4.2 AÇO LIGA Os Aços-liga contêm quantidades específicas de elementos de liga diferentes daqueles normalmente utilizados nos aços comuns. Estas quantidades são determinadas com o objetivo de promover mudanças nas propriedades físicas e mecânicas que permitam ao material desempenhar funções específicas. Os açosliga costumam ser designados de acordo com o(s) seu(s) elemento(s) predominante(s), como por exemplo, aço-níquel, aço-cromo e aço-cromovanádio. SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO Os aços-liga possuem várias numerações diferentes no sistema SAE-AISI. A designação SAE-AISI considera como aço-liga todos aqueles que ultrapassem os limites de 1,65% de Manganês, 0,60% de Silício ou 0,60% de Cobre. Além disso, são considerados aços-liga todo e qualquer aço que possua quantidades mínimas especificadas de Alumínio, Boro, Cromo (até 3,99%), Cobalto, Nióbio, Molibdênio, Níquel, Titânio, Tungstênio, Vanádio, Zircônio ou qualquer outro elemento de liga adicionado com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas e a tenacidade após a realização de tratamentos térmicos. Os grupos de aços-liga são classificados da seguinte forma pelo sistema SAE-AISI: Aço-manganês: 13xx: Mn 1.75% Aços-níquel: 23xx: Ni 3.50%; 25xx: Ni 5.00% Aços níquel-cromo: 31xx: Ni 1.25% ; Cr 0.65 e 0.80% 32xx : Ni 1.75% ; Cr 1.07% 33xx : Ni 3.50% ; Cr 1.50% e 1.57% 34xx : Ni 3.00% ; Cr 0.77% Aços-molibdênio: 40xx: Mo 0.20 e 0.25% CLASSIFICAÇÃO Os aços-liga seguem as mesmas classificações dos aços-carbono, ou seja, são divididos em Graus, Tipos e Classes. Os sistemas de designação também são os mesmos, destacando-se o SAE, AISI, ASTM e UNS. 44xx: Mo 0.40 e 0.52% Aços cromo-molibdênio: 41xx: Cr 0.50%, 0.80% e 0.95% ; Mo 0.12%, 0.20%, 0.25% e 0.30%

26 26 Aços níquel-cromo-molibdênio: 43xx: Ni 1.82%; Cr 0.50 e 0.80% ; Mo 0.25% 43BVxx : Ni 1.82%; Cr 0.50; Mo 0.12 e 0.25% ; V 0.03 min. 47xx : Ni 1.05%; Cr 0.45%; Mo 0.20 e 0.35% 81xx : Ni 0.30%; Cr 0.40%; Mo 0.12% 86xx : Ni 0.55%; Cr 0.50%; Mo 0.20% 87xx : Ni 0.55%; Cr 0.50%; Mo 0.25% 88xx : Ni 0.55%; Cr 0.50%; Mo 0.35% 93xx : Ni 3.25%; Cr 1.20%; Mo 0.12% 94xx : Ni 0.45%; Cr 0.40%; Mo 0.12% 97xx : Ni 0.55%; Cr 0.20%; Mo 0.20% 98xx : Ni 1.00%; Cr 0.80%; Mo 0.25% Aços níquel-molibdênio: 46xx : Ni 0.85 e 1.82%; Mo 0.20 e 0.25% 48xx : Ni 3.50% ; Mo 0.25% Aços cromo-tungstênio: 72xx: W 1.75 ; Cr 0.75% Aços silício-manganês: 92xx: Si 1.40 e 2.00% ; Mn 0.65, 0.82 e 0.85% ; Cr 0 e 0.65% Aços-boro: xxbxx : B denota aço ao Boro Aços ao chumbo: xxlxx : L denota aço ao Chumbo Aços-vanádio: xxvxx : V denota aço ao Vanádio APLICAÇÕES Os aços-liga, por ser uma família bastante ampla de diferentes tipos de aço, com propriedades bastante distintas, encontram aplicações igualmente vastas. Podem ser encontrados em praticamente todos os segmentos industriais, desde a construção civil até a construção naval, passando pela indústria petrolífera, automobilística e aeronáutica. Aços-cromo: 50xx : Cr 0.27, 0.40, 0.50 e 0.65% 51xx : Cr 0.80, 0.87, 0.92, 0.95, 1.00 e 1.05% 50xxx : Cr 0.50% ; C 1.00% min 51xxx : Cr 1.02% ; C 1.00% min 52xxx : Cr 1.45% ; C 1.00% min Aços cromo-vanádio: 61xx: Cr 0.60, 0.80 e 0.95% ; V 0.10 e 0.15% 4.3 AÇOS INOXIDÁVEIS Os aços-inoxidáveis são aqueles que contêm um mínimo de 10,5% de Cromo como principal elemento de liga. São aços onde não ocorre oxidação em

27 27 ambientes normais. Alguns aços inoxidáveis possuem mais de 30% de Cromo ou menos de 50% de Ferro. Suas características de resistência à corrosão são obtidas graças à formação de um óxido protetor que impede o contato do metal base com a atmosfera agressiva. Alguns outros elementos como níquel, molibdênio, cobre, titânio, alumínio, silício, nióbio, nitrogênio e selênio podem ser adicionados para a obtenção de características mecânicas particulares. CLASSIFICAÇÃO Os aços inoxidáveis são divididos em cinco famílias, de acordo com a microestrutura ou tratamento térmico utilizado. As cinco famílias são: martensíticos, ferríticos, austeníticos, duplex (austenítico e ferrítico) e endurecíveis por precipitação. SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO Os aços inoxidáveis são normalmente designados pelos sistemas de numeração da AISI (American Iron and Steel Institute), UNS (Unified Numbering System) ou por designação própria do proprietário da liga. Entre estes, o sistema da AISI é o mais utilizado. Nele, a maioria dos graus de aços inoxidáveis possuem uma classificação com três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e 300, enquanto que a série 400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos. A série UNS, por sua vez, possui um maior número de ligas que a AISI, pois incorpora todos os aços inoxidáveis de desenvolvimento mais recente. Nesta série, os aços inoxidáveis são representados pela letra S, seguida de cinco números. Os três primeiros representando a numeração AISI (se tiverem). Os dois últimos algarismos serão 00 se o aço for um aço comum da designação AISI. Se forem diferentes, significa que o aço tem alguma característica especial reconhecida pela UNS. CARACTERÍSTICAS Martensíticos: são ligas Fe-Cr-C que possuem uma estrutura martensítica na condição endurecida. São ferromagnéticos, endurecíveis por tratamentos térmicos e resistentes à corrosão somente em meios de média agressividade. O conteúdo de cromo é, geralmente, situado entre 10,5 e 18% e o conteúdo de carbono não pode ser superior a 1,2%. Os conteúdos de carbono e cromo são balanceados para garantir uma estrutura martensítica. Alguns elementos como nióbio, silício, tungstênio e vanádio são, às vezes, adicionados para modificar o comportamento do aço durante o revenido. Pequenas quantidades de níquel podem ser adicionadas para melhorar a resistência à corrosão. Da mesma maneira, enxofre e selênio podem ser adicionados para melhorar usinabilidade. Ferríticos: são ligas de Fe-Cr, de estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC). Seu conteúdo de cromo se situa na faixa de 11% a 30%. Alguns graus podem conter molibdênio, silício, alumínio, titânio e nióbio para a obtenção de certas características. Também podem ser adicionados enxofre e selênio para

28 28 melhoria da usinabilidade. São ferromagnéticos, podem possuir boas ductilidade e conformabilidade, mas suas características de resistência em altas temperaturas são ruins se comparadas à dos austeníticos. Sua tenacidade também pode ser limitada a baixas temperaturas e em seções pesadas. Não são endurecíveis por tratamento térmico e dificilmente por trabalho a frio. Austeníticos: constituem a maior família de aços inoxidáveis tanto em número de diferentes tipos, quanto em utilização. A exemplo dos ferríticos, não são endurecíveis por tratamento térmico. São não-magnéticos na condição recozida e são endurecíveis apenas por trabalho a frio. Normalmente, possuem excelentes propriedades criogênicas e excelente resistência mecânica e à corrosão em altas temperaturas. O conteúdo de cromo varia entre 16% e 26%, o de níquel é menor ou igual a 35% e o de manganês é menor ou igual a 15%. Podem ser adicionados, também, molibdênio, cobre, silício, alumínio, titânio e nióbio, para a obtenção de melhores características de resistência à oxidação. Duplex: são ligas bifásicas baseadas no sistema Fe-Cr-Ni. Estes aços possuem, aproximadamente, a mesma proporção das fases ferrita e austenita e são caracterizados pelo seu baixo teor de carbono (<0,03%) e por adições de molibdênio, nitrogênio, tungstênio e cobre. Os teores típicos de cromo e níquel variam entre 20% e 30% e 5% e 8%, respectivamente. A vantagem dos aços duplex sobre os austeníticos da série 300 e sobre os ferríticos são a resistência mecânica (aproximadamente o dobro), maiores tenacidade e ductilidade (em relação aos ferríticos) e uma maior resistência a corrosão por cloretos. Endurecíveis por precipitação: são ligas cromo-níquel que podem ser endurecidas por tratamento de envelhecimento. Podem ser austeníticos, semiausteníticos ou martensíticos, sendo que a classificação é feita de acordo com a sua microestrutura na condição recozida. Para viabilizar a reação de envelhecimento, muitas vezes se utiliza o trabalho a frio, e a adição de elementos de liga como alumínio, titânio, nióbio e cobre. APLICAÇÃO Martensíticos: estes aços são especificados quando a aplicação requer elevada resistência à tração, à fluência e à fadiga, combinadas com requisitos moderados de resistência à corrosão e utilizações em até 650 C. Entre as suas aplicações estão turbinas a vapor, motores a jato e turbinas a gás. Alguns destes aços encontram aplicações, também, como tubulações de vapor, reaquecedores de geradores a vapor e tubulações superaquecidas utilizadas em refinarias de combustíveis fósseis, cutelaria, peças de válvulas, engrenagens, eixos, cilindros laminadores, instrumentos cirúrgicos e odontológicos, molas, cames e esferas de rolamentos.

29 29 Ferríticos: suas várias classes encontram aplicações em sistemas de exaustão de automóveis, como recipientes de alimentos, em trocadores de calor e em tubulações contendo soluções com cloretos e água do mar. Austeníticos: podem, em função dos elementos de liga presentes na sua composição, resistir a corrosão atmosférica, em várias soluções aquosas, na presença de alimentos, em ácidos oxidantes (como o nítrico), fosfóricos e acéticos, em soluções diluídas contendo cloretos e em ácidos sulfurosos. 4.4 AÇOS FERRAMENTA Os aços-ferramentas são aqueles utilizados nas operações de corte, formação, afiação e quaisquer outras relacionadas com a modificação de um material para um formato utilizável. Estes aços se caracterizam pelas suas elevadas dureza e resistência à abrasão geralmente associadas à boa tenacidade e manutenção das propriedades de resistência mecânica em elevadas temperaturas. Duplex: graças a sua elevada resistência mecânica, os aços inox duplex podem ser utilizados em menores espessuras. Sua desvantagem é que não pode ser utilizado em temperaturas acima de 300 C, sob pena de perder algumas de suas características mecânicas, sobretudo a tenacidade. É bastante utilizado nas indústrias de gás, petróleo, petroquímica, polpa e papel, principalmente na presença de meios contendo aquosos contendo cloretos. Endurecíveis por precipitação: possuem boa resistência mecânica, tenacidade e ductilidade. Sua resistência à corrosão é de moderada a boa. Suas características lhe garantem aplicação nas indústrias aeroespacial e de alta-tecnologia. Estas características normalmente são obtidas com a adição de elevados teores de carbono e ligas, como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo. Boa parte dos aços-ferramenta são forjados, mas alguns também são fabricados por fundição de precisão ou por metalurgia do pó. A seleção da matéria-prima para a fabricação dos aços ferramentas é um fator importante do processo, e a sua seleção costuma ser cuidadosamente realizada inclusive na utilização de sucata. A fusão dos aços-ferramentas é realizada, normalmente, em quantidades relativamente pequenas nos fornos elétricos, tomando-se um especial cuidado com as tolerâncias de composição química e homogeneidade do produto final. Estas e outras particularidades tornam o aço-ferramenta um material de custo mais elevado do que os aços comuns.

30 30 CLASSIFICAÇÃO Devido às diversas utilizações dos aços-ferramentas, eles são divididos em diferentes tipos de acordo com a sua aplicação e características. São eles: açosrápidos, aços para trabalho a quente, aços para deformação a frio, aços resistentes ao choque, aços baixa liga para aplicações especiais, aços para moldagem, aços temperáveis em água. CARACTERÍSTICAS Aços-rápido: são desenvolvidos para aplicações de usinagem em elevadas velocidades. Existem duas classificações para os aços-rápidos, que são os ao molibdênio (grupo M) e os ao tungstênio (grupo T). Os dois possuem um desempenho mais ou menos semelhante. Os do grupo M, entretanto, têm um custo inicial menor. Aços para trabalho a quente: desenvolvidos para utilização em operações de punçonamento, cisalhamento e forjamento de metais em altas temperaturas sob condições de calor, pressão e abrasão. São identificados como aço H, no sistema de classificação. São divididos em três subgrupos: ao cromo (que vai do H10 ao H19), ao tungstênio (H21 ao H26) e ao molibdênio (H42 e H43). Aços para deformação a frio: por não conter os elementos de liga necessários para possuir resistência a quente, estes aços se restringem as aplicações que não envolvam aquecimentos repetidos ou prolongados em faixas de temperatura de 205 a 260ºC. São divididos em três grupos: aços temperáveis ao ar (grupo A), alto-carbono e alto-cromo (grupo D) e temperáveis em óleo (grupo O). Aços resistentes ao choque: seus principais elementos de liga são manganês, silício, cromo, tungstênio e molibdênio. Quase todos os aços deste tipo (conhecidos como Grupo S) possuem conteúdo de carbono de aproximadamente 0.50%, o que lhes confere uma combinação de elevadas resistência e tenacidade e baixa ou média resistência ao desgaste por abrasão. Aços baixa-liga para aplicações especiais: contém pequenas quantidades de cromo, vanádio, níquel e molibdênio. Possuem dois subgrupos, ambos temperáveis a óleo. São os aços do grupo L. Aços para moldagem: estes aços possuem cromo e níquel como principais elementos de liga. Possuem características de baixa resistência ao amolecimento em altas temperaturas. São classificados como grupo P. Aços temperáveis em água: nestes aços o carbono é o principal elemento de liga. São adicionados, também, pequenas quantidades de cromo para aumentar a temperabilidade e a resistência à abrasão, e de vanádio, para manter uma granulação fina, e consequentemente uma maior tenacidade. Pertencem ao grupo w.

31 31 APLICAÇÃO Aços-rápido: ferramentas, brocas, perfuratrizes, alargadores de furos, machos para abertura de roscas e fresas helicoidais. Alguns graus podem ser utilizados para certas aplicações a frio como laminadores de rosca, punções e matrizes para corte de discos. Aços para trabalho a quente: os aços ao cromo são utilizados em aplicações de transformações mecânicas a temperaturas elevadas. Os aços ao tungstênio são utilizados como mandris ou matrizes de extrusão para aplicações de alta temperatura, como por exemplo, na extrusão de ligas de cobre, ligas de níquel e aço. Aços baixa-liga para aplicações especiais: são utilizados, de um modo geral, em componentes de máquinas como árvores, cames, placas, mandris e pinças de tornos Aços para moldagem: como o próprio nome sugere, estes aços são utilizados como moldes de vários tipos, para aplicações que requerem a manutenção das características de resistência em temperaturas e pressões elevadas. Aços temperáveis em água: são utilizados em ferramentas para forjamento a frio, cunhagem de moedas, gravação em relevo, trabalho em madeira, corte de metais duros (machos e alargadores), cutelaria e outras que requeiram resistência ao desgaste por abrasão. Aços para deformação a frio: os do grupo A são aplicados como facas de cisalhamento, punções, corte de chapas para estampagem e matrizes para aparar. Os do grupo D são aplicados em ferramentas de forjamento, rolos de laminação de roscas, estampagem profunda, moldes de tijolo, calibres, operações de brunimento, rolos e facas para corte de tiras. Os do grupo O, por fim, são utilizados em matrizes e punções para corte de chapas para estampagem, rebarbação, trefilação, flangeamento e forjamento. Aços resistentes ao choque: usados em talhadeiras, formões, contra-rebites, punções, brocas-guia e outras aplicações que requerem elevada tenacidade e resistência ao choque. 4.5 FERROS FUNDIDOS As ligas ferro-carbono com teor de carbono superior a 2% correspondem, como se sabe, aos ferros fundidos. Esses materiais são muito importantes. Mesmo os tipos mais comuns e tradicionais encontram um grande campo de aplicação. Por outro lado, o aperfeiçoamento dos métodos de fabricação e de controle de qualidade, a introdução de elementos de liga, a aplicação de tratamentos térmicos e, finalmente, o desenvolvimento do ferro fundido nodular, ampliaram as possibilidades de emprego desses materiais.

32 32 O elevado teor de carbono dessas ligas e a presença sempre obrigatória do elemento silício tornam, entretanto, necessário considerá-las como ligas ternárias Fe-C-Si. O tratamento térmico dessa liga faz surgir um novo constituinte carbono livre ou grafita cuja forma, disposição e quantidade alteram profundamente as propriedades desses materiais. velocidade de resfriamento é menor, a tendência é ocorrer uma certa grafitização. Cromo normalmente é adicionado em teores até 4%. Acima disso, por exemplo entre 12% e 35%, além de aumentar a resistência ao desgaste, torna os ferros fundidos brancos resistentes à corrosão e à oxidação a altas temperaturas. FERRO FUNDIDO BRANCO Este ferro fundido é assim chamado porque, devido ao carbono se apresentar quase inteiramente combinado na forma de Fe 3 C, mostra uma fratura branca. Para a produção do ferro fundido branco deve-se combinar os dois fatores fundamentais que determinam a maior ou menor decomposição da cementita: composição química (teores de carbono e silício, este último principalmente) e velocidade de resfriamento. Essa última é controlada pelo emprego do sistema de coquilhamento em que os moldes são metálicos, chamados coquilhas. Na produção dos ferros fundidos brancos, tem sido utilizada a técnica de adição de alguns elementos de liga, entre os quais os seguintes: - Níquel, cromo e Molibdênio isolados ou em combinação, para aumentar a resistência ao desgaste. Eles regulam a profundidade de coquilhamento, ou seja, a profundidade da camada branca, visto que, no centro das peças, onde a Níquel pode ir até teores de 4% ou 5%, o que produz uma estrutura martensítica, aumentando a dureza. Molibdênio tem um efeito correspondente a um terço do cromo e o objetivo inicial, na sua adição em pequenas quantidades (0,25% a 0,75%), é melhorar a resistência da superfície coquilhada ao lascamento e tricamento pelo calor e à corrosão localizada. Tratamento Térmico As peças coquilhadas são geralmente submetidas a um tratamento térmico para alívio de tensões que se originam nas diversas velocidades de resfriamento e, portanto, de solidificação, nas várias seções das peças, além de uniformizar a estrutura bruta de fusão.

33 33 O aquecimento é feito a temperaturas relativamente elevadas entre 815 C e 870 C durante tempos relativamente longos, seguido de resfriamento muito lento, pelo menos até 650 C. Si 1,20% a 3,00% Mn 0,30% a 1,00% P 0,10% a 1,00% S 0,05% a 0,255 Características Suas propriedades básicas são: elevada dureza e resistência ao desgaste, o que em conseqüência, os torna difíceis de usinar, mesmo com os melhores materiais de corte. A ASTM agrupa os ferros fundidos nos tipos apresentados na tabela a seguir. Os números dessas classes correspondem aos limites de resistência à tração, em lb/pol 2, ou seja, classe 20 = lb/pol 2. Aplicação Devido as suas características mecânicas, o ferro fundido branco é empregado, entre outras, nas seguintes aplicações: revestimentos de moinhos, bolas para moinhos bola, cilindros para laminação para borracha, vidro, plásticos e metais, rodas de vagões, peças empregadas em equipamentos de britamento de minérios, moagem de cimento etc. FERRO FUNDIDO CINZENTO A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentos está compreendida entre os seguintes teores: C 2,50% a 4,00% No sistema ABNT, por sua vez, os ferros fundidos cinzentos são designados por FC (ferro fundido cinzento) e por algarismos indicativos dos limites mínimos de resistência à tração. A tabela a seguir a representa as classes ABNT.

34 34 Características Esta liga Fe-C-Si apresenta fácil fusão e moldagem, excelente usinabilidade, resistência mecânica satisfatória, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. É, dentre os ferros fundidos, a mais usada. Um fator a se considerar quando se especifica esse ferro fundido é o que relaciona as propriedades mecânicas com a seção das peças. Isso porque, para composições fixas de carbono e silício, a resistência diminui à medida que aumenta a espessura ou seção das peças. Assim sendo, para peças finas, o carbono e o silício podem apresentar maiores teores e, para peças mais espessas, a quantidade desses elementos deve ser reduzida, sob pena de queda da dureza e do limite de resistência à tração. Tomando-se como exemplo a classe ASTM-25, para manter-se um limite de resistência à tração entre 18 e 21,5 kgf/mm 2 e dureza entre 160 e 220, os teores de carbono e silício devem situar-se, conforme a espessura das peças, dentro dos seguintes limites: Peças finas, até 13mm de espessura: C 3,30% a 3,50% Si 2,20% a 2,40% Peças médias, entre 13mm e 25mm de espessura:

35 35 C - 3,20% a 3,40% Si 2,20% a 2,40% à formação de camada coquilhada, seu emprego é feito em peças de espessura média e grande. Peças grossas, acima de 25mm: C 3,00% a 3,20% Si 1,90% a 2,20% Aplicação geral As classes FC-10 e FC-15, pela excelente fusibilidade e usinabilidade, são indicadas, principalmente a FC-15, para bases de máquinas, carcaças metálicas etc. As classes FC-20 e FC-25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas operatrizes, tais como barramentos, cabeçotes, mesas etc. As classes FC-30 e FC-35, devido a sua maior resistência mecânica e maior dureza, aplicam-se em engrenagens, pequenos virabrequins, bases pesadas e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de motor etc. Outras aplicações dos ferros fundidos cinzentos, além das mencionadas, incluem: anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, engrenagens, eixos de comando de válvulas, virabrequins e inúmeros outros tipos de peças utilizadas praticamente em todos os setores industriais. Aplicação na indústria automobilística Dadas as importantes aplicações do ferro fundido cinzento na industria automobilística, a SAE agrupou esse material em cinco classes, conforme mostra a tabela a seguir. As aplicações correspondentes são as seguintes: Classe G 1800 peças fundidas miscelâneas (no estado fundido ou recozido), onde a resistência mecânica não é o requisito principal; Finalmente a classe FC-40, de maior resistência entre todas as classes, possui elementos de liga, como níquel, cormo e molibdênio. Face à sua maior tendência

36 36 Classe G 2500 pequenos blocos de cilindro, cabeçotes de cilindros, cilindros resfriados a ar, pistões, discos de embreagem, carcaças de bombas de óleo, caixas de transmissão, caixas de engrenagem, tambores de freio para serviço leve; também para tambores de freio a discos de embreagem para serviço moderado, onde o alto teor de carbono minimiza o efeito desfavorável do calor; Classe G 3000 blocos de cilindro de automóveis e motores Diesel, cabeçotes de cilindro, volantes, pistões, tambores de freio e caixas de transmissão de tratores para serviço médio; Classe G 3500 blocos de motores Diesel, blocos e cabeças de cilindro de caminhões e tratores, volantes pesados, caixas de transmissão de tratores, caixas de engrenagem para serviço pesado, onde se exige alta resistência mecânica e à fadiga. Classe G 4000 peças fundidas para motores Diesel, cilindros, camisas de cilindro, pistões e eixos de comando de válvulas. FERRO FUNDIDO MALEÁVEL tipo de ferro fundido resulta de um ferro fundido branco, de composição adequada, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial, de longa duração, chamado maleabilização.

37 37 Após o tratamento, o material que, no estado original é muito frágil, adquire ductilidade ou maleabilidade daí o nome e torna-se mais tenaz. O maleável é, por vezes, considerado um material intermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento, pois, além de apresentar os característicos fundamentais desta última liga, com usinabilidade, suas propriedades mecânicas aproximam-se das dos aços de baixo e médio carbono, com ductilidade razoável, que pode ultrapassar 10% em alongamento. A ABNT, pela sua especificação PEB-128, classifica os maleáveis em 14 tipos (entre maleáveis brancos e pretos), cujas propriedades mecânicas variam dentro dos seguintes limites: - limite de escoamento - 19 a 50 kgf/mm 2 (valores mínimos) - limite de resistência à tração - 30 a 70 kgf/mm 2 (valores mínimos) - alongamento mínimo em 3d - 2 a 12% - dureza Brinell típica - menos de 150 a 285 tais como: conexões para tubulações hidráulicas, conexões em linhas de transmissão elétrica, correntes, suportes de molas, caixas de direção e de diferencial, cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freio e de embreagem, colares de tratores, caixas de engrenagens etc. Classificação A ABNT classifica os 14 tipos de ferros fundidos maleáveis conforme a tabela que se segue. FERRO FUNDIDO NODULAR O ferro fundido nodular, também chamado de ferro fundido dúctil caracteriza-se por excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade. O seu limite de escoamento é mais elevado do que nos ferros fundido cinzento e maleável e mesmo do que nos aços-carbono sem elementos de liga. Aplicação As melhores ductilidade e tenacidade,aliadas às boas propriedades de resistência à tração, resistência à fadiga, resistência ao desgaste e usinabilidade, tornam o material recomendável para muitas e importantes aplicações nas indústrias mecânica, elétrica, de veículos, de materiais de construção, de tratores, em peças A grafita, nesses materiais, tema forma esferoidal, que é mais favorável do que a nodular propriamente dita do ferro maleável e por isso afeta menos a continuidade da matriz.

38 38 O ferro fundido de origem, para produzir o ferro nodular, possui uma composição química semelhante à do ferro fundido cinzento comum ou com baixo teor de liga, compreendendo vários tipos, dentro dos seguinte limites de composição: O processo de nodulização desses materiais consiste na adição, no metal fundido, de determinadas ligas contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário. A liga mais comum é Mg-Si-Fe, visto que o magnésio é, dentre todos os elementos, o de mais baixo custo. O cério é igualmente muito empregado. Classificação A ABNT, e estruturas predominantes, pela sua especificação PEB-585, agrupou o ferro fundido dúctil em sete classes, indicadas com as respectivas propriedades (no estado bruto de fusão) e estruturas predominantes, como está na tabela abaixo.

39 39 O tipo mais utilizado em construção mecânica é o FE As aplicações gerais compreendem peças sujeitas a pressão, como compressores, ligoteiras, bielas e outros tipos de peças que exijam maior resistência ao choque, como virabrequins, matrizes, mancais, polias, rodas dentadas, engates, sapatas, tambores de freio etc. A norma alemã DIN classifica os ferros nodulares, pelas suas propriedades, conforme está indicado na tabela a seguir. Por sua vez, a ASTM classifica os ferros nodulares de acordo com as propriedades mecânicas, da seguinte maneira: - Classe empregada em válvulas e dispositivos para equipamento de vapor e da indústria química; - Classe componentes de máquinas sujeitos a cargas de choque e fadiga; - Classe cilindros de secagem de fábricas de papel; - Classe virabrequins, engrenagens e rolamentos; - Classe engrenagens e componentes de máquinas para suportar elevadas cargas; - Classe pinhões, engrenagens, rolamentos etc.

40 40 Nas classes citadas, o primeiro algarismo corresponde ao limite de resistência à tração em lb/inch 2 (libra por polegada quadrada); o segundo ao limite de escoamento, dado na mesma unidade. O terceiro, corresponde ao alongamento, em porcentagem.