4/26/2016 DISCIPLINA: TECNOLOGIA METALÚRGICA PROF. JOSÉ LUÍS L. SILVEIRA 1º PERÍODO DE 2016 (SALA I-241) BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA ESPECÍFICA

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1 DISCIPLINA: TECNOLOGIA METALÚRGICA PROF. JOSÉ LUÍS L. SILVEIRA 1º PERÍODO DE 2016 (SALA I-241) BIBLIOGRAFIA Bibliografia suplementar: Introdução aos Processos de Fabricação autor: Mikell P. Groover Curso de graduação em Engenharia Mecânica Centro de Tecnologia sala G-201 gabinete 7 ramal jluis@mecanica.ufrj.br / jluis@poli.ufrj.br Editora LTC, 1ª edição, BIBLIOGRAFIA Bibliografia básica: Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos autores: Claudio Shyinti Kiminami, Walman Benício de Castro e Marcelo Falcão de Oliveira; Editora Edgard Blücher, 1ª edição, BIBLIOGRAFIA ESPECÍFICA Aços e Ferros Fundidos; Vicente Chiaverini; ABM, 5ª edição, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução; Callister; LTC; 5ª edição; Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns; H. Colpaert; Ed. Edgard Blucher, 2ª edição, Materiais de Construção Mecânica; Tecnologia Mecânica; vol. III; Chiaverini, LTC. 1

2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO - INTRODUÇÃO CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Nesse curso serão estudados alguns processos de fabricação: Fundição (cap. 2) Soldagem (cap. 5) Conformação (cap. 3) Metalurgia do pó (cap. 6) PROCESSOS DE FABRICAÇÃO - INTRODUÇÃO Para a produção de um produto são utilizados processos de fabricação, que a partir da matéria prima, alteram a forma e/ou as propriedades do material. Em relação a forma, um processo de fabricação pode modificar a geometria, as dimensões e o acabamento superficial. Em relação as propriedades, um processo de fabricação pode alterar a resistência mecânica, a dureza, a resistência ao desgaste, a resistência à corrosão, a condutividade elétrica, a densidade etc. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO (EM INGLÊS) 2

3 OBTENÇÃO DE PRODUTOS SIDERÚRGICOS SEQUÊNCIA DE FABRICAÇÃO DE PRODUTOS METÁLICOS O processo de redução do minério de ferro pode ser descrito pela seguintes reações: 3Fe O + CO 2Fe O 3 2 Fe O CO 3FeO + CO FeO + CO Fe + CO CO 2 2 O ferro gusa contém entre 3,5 e 4,5% de carbono. (METALOGRAFIA DOS PRODUTOS SIDERÚRGICOS COMUNS; H. COLPAERT; ED. EDGARD BLUCHER, 2ª EDIÇÃO, 1959.) OBTENÇÃO DE PRODUTOS SIDERÚRGICOS OBTENÇÃO DE PRODUTOS SIDERÚRGICOS Os metais em geral são encontrados na natureza na forma de óxidos. Um dos principais materiais utilizados na Engenharia Mecânica é o aço. Para a produção do aço é necessário a redução do minério de ferro. No alto forno o minério de ferro é reduzido e transformado em ferro gusa. A partir do ferro gusa são fabricados o ferro fundido, que contém entre 2,11 e 6,67% de carbono e o aço que contém até 2,11% de carbono. 3

4 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS FERROSAS DIAGRAMA FERRO-CARBONO nodular CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS Aços-carbono são aços em que estão presentes o carbono e elementos residuais, como: manganês, silício, fósforo, enxofre e outros, em teores considerados normais. Na temperatura ambiente as ligas ferro-carbono entre 0% e 2,11% de C, resfriadas lentamente, apresentam a seguinte constituição: Ferro comercialmente puro ferrita. Aços hipoeutetóides (até 0,77% de C) ferrita e perlita. Aços eutetóides (com 0,77% de C) perlita. Aços hipereutetóides (de 0,77 a 2,11% de C) perlita e cementita. MICROESTRUTURA DE UM AÇO COM 0,8% DE CARBONO (A) MICROESTRUTURA PERLÍTICA E (B) MICROESTRUTURA MARTENSÍTICA 4

5 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS FERROSAS CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS De acordo com o teor de carbono: Aço de baixo carbono teor de carbono inferior a 0,2% Aço de médio carbono teor de carbono entre 0,2 e 0,5% Aço de alto carbono teor de carbono acima de 0,5% nodular Outra forma, considera: Aço doce teor de carbono entre 0,15 e 0,25% Aço meio-duro teor de carbono entre 0,25 e 0,5% Aço duro teor de carbono entre 0,5 e 1,4% CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS FERROSAS Aços-liga de baixo teor em liga são aqueles em que os elementos residuais estão presentes acima dos teores normais nos aços-carbono, ou onde ocorre a presença de novos elementos de liga, cujo teor total não ultrapassa um valor determinado (normalmente 3 a 8%). Aços-liga de alto teor em liga são aqueles em que o teor total dos elementos de liga é de 8 a 12%, no mínimo. nodular Aços-liga de médio teor em liga constituem um grupo intermediário entre os dois anteriores. 5

6 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS (AÇOS E FERROS FUNDIDOS; VICENTE CHIAVERINI; ABM, 5ª EDIÇÃO, CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS: UMA INTRODUÇÃO; CALLISTER; LTC; 5ª EDIÇÃO; 2002.) CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS Aço de alta resistência e baixa liga é um aço com baixo teor de carbono, com até aproximadamente 10% de elementos de liga e que apresenta melhores propriedades mecânicas e alguma resistência a corrosão atmosférica. Tipicamente apresenta teores de cobre, níquel, cromo e molibdênio e teores acima dos normais de fósforo, silício e manganês. C 0,6 a 0,28% Cu 0 a 1,25% Zr 0 a 0,12% B 0 a 0,005% P 0,01 a 0,12% Cr 0 a 1,8% Al 0 a 0,2% Nb 0 a 0,10% Si 0,01 a 0,9% Ni 0 a 5,25% S 0 a 0,03% Mn 0,35 a 1,6% Mo 0 a 0,65% Ti 0 a 0,05% CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS Aços inoxidáveis martensíticos são endurecíveis por tratamento térmico e contêm entre 11,5 e 18% de Cr. São ferro-magnéticos. Aços inoxidáveis ferríticos não são endurecíveis pela têmpera, devido aos baixos teores de carbono, no máximo 0,2%, mas podem conter teores elevados de Cr, superiores a 25%. São ferro-magnéticos. Os aços inoxidáveis martensíticos e ferríticos são ligas de ferro e cromo, onde o teor de carbono desempenha um papel fundamental para localizar o aço inoxidável na classe martensítica ou ferrítica (figura a seguir). CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS Aços inoxidáveis austeníticos são ligas de ferrocromo-níquel. Um exemplo importante é o aço inoxidável com 18% de Cr e 8% de Ni. Não são endurecíveis, por serem austeníticos, e não são ferro-magnéticos. Aços inoxidáveis duplex apresentam em sua microestrutura ilhas de austenita distribuídas em uma matriz ferrítica. A resistência mecânica e a resistência à corrosão intergranular dos aços duplex é mais alta que a dos aços inoxidáveis austeníticos. São endurecíveis por tratamento térmico e são ferro-magnéticos. Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação são endurecíveis por tratamento de envelhecimento. Em geral apresentam estrutura martensítica e são ferro-magnéticos. São ligas ferro-cromo-níquel-molibdênio. 6

7 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS FERROSAS DIAGRAMA FERRO-CARBONO nodular O ferro fundido é comumente descrito como uma liga Fe-C que contém entre 2,11 e 6,67% de carbono. Em função da importância do silício para a sua constituição, o ferro fundido é normalmente definido como uma liga ternária Fe-C-Si, onde uma parcela do carbono se encontra na forma livre (grafita). Pode se distinguir entre: Ferro fundido cinzento Ferro fundido branco Ferro fundido mesclado Ferro fundido nodular Ferro fundido maleável Ferro fundido vermicular 7

8 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS FERROS FUNDIDOS Ferro Fundido %C %Si %Mn %S %P Branco 1,8 a 3,6 0,5 a 1,9 0,25 a 0,8 0,06 a 0,2 0,06 a 0,2 Maleável 2,2 a 2,9 0,9 a 1,9 0,15 a 1,2 0,02 a 0,2 0,02 a 0,2 Cinzento 2,5 a 4,0 1,0 a 3,0 0,2 a 1,0 0,02 a 0,25 0,02 a 1,0 Nodular 3,0 a 4,0 1,8 a 2,8 0,1 a 1,0 0,01 a 0,03 0,01 a 0,1 Vermicular 2,5 a 4,0 1,0 a 3,0 0,2 a 1,0 0,01 a 0,03 0,01 a 0,1 A precipitação da grafita depende do teor de carbono e silício e da velocidade de resfriamento. Para valores constantes de teor de carbono e velocidade de resfriamento, quantidades maiores de silício resultam em maior precipitação de grafita. Ferro fundido branco onde o carbono se apresenta quase totalmente na forma combinada, Fe 3 C. Apresenta elevada dureza e resistência ao desgaste. Ferro fundido cinzento caracterizado por uma estrutura onde o carbono se apresenta parte na forma de grafita lamelar e parte na forma de Fe 3 C. Ferro fundido maleável é obtido a partir de um tratamento térmico de maleabilização do ferro fundido branco, que resulta em uma transformação quase total do Fe 3 C em grafita na forma de nódulos. 8

9 Ferro fundido nodular caracterizado por apresentar carbono livre na forma de grafita esferoidal, que lhe confere boa ductilidade e por essa razão também é denominado ferro fundido dúctil. A grafita esferoidal é obtida pela adição agentes nodulizantes (Mg, Ce) no metal ainda no estado líquido. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS NÃO FERROSAS TABELA PERIÓDICA Ferro fundido mesclado caracterizado por uma mescla de ferro fundido branco e ferro fundido cinzento em proporções variáveis. Ferro fundido vermicular também denominado ferro fundido de grafita compactada, que se apresenta na forma de escamas. Pode ser considerado intermediário entre o ferro fundido cinzento e o ferro fundido nodular. 9

10 LIGAS DE ALUMÍNIO O alumínio e suas ligas se caracterizam por uma boa relação peso/resistência, devido a sua baixa densidade (2,7 g/cm 3 ) e a boa resistência mecânica de algumas ligas. O alumínio apresenta também uma elevada condutividade elétrica e térmica, além de uma boa resistência a corrosão. A estrutura cristalina alumínio é do tipo CFC, o que mantém sua ductilidade em baixas temperaturas. A baixa temperatura de fusão do alumínio (660 C) limita a sua aplicação em temperaturas elevadas, mas favorece a sua utilização em processos de fundição. Algumas ligas de alumínio apresentam elevada ductilidade e podem ser conformadas. LIGAS DE ALUMÍNIO As ligas de alumínio são divididas em dois grupos: ligas utilizadas em fundição que em geral contêm silício para melhorar suas características de fluidez. ligas trabalháveis utilizadas para a fabricação de produtos por conformação. As ligas de alumínio podem ser classificadas em: ligas tratáveis termicamente que em geral são submetidas a um tratamento de solubilização seguido por um endurecimento por precipitação. ligas não-tratáveis termicamente que têm sua resistência aumentada através do trabalho a frio. LIGAS DE ALUMÍNIO A composição das ligas de alumínio é designada por um número com quatro dígitos, após esses dígitos um hífen e uma sequência de um a três dígitos indica o tratamento térmico ou mecânico ao qual a liga foi submetida. As seguintes letras são utilizadas para designar o estado das ligas: Letra F O H W T Estado da liga como fabricada recozida encruada solubilizada tratada termicamente 10

11 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS ALUMÍNIO SEGUNDO A ALUMINUM ASSOCIATION Série Principal elemento de liga Propriedades ou aplicações 1 xxx sem elemento de liga 2 xxx Cu 3 xxx Mn Al 99% puro, elevada conformabilidade e resistência à corrosão. Tratável termicamente, elevada resistência mecânica e ductilidade, aplicação aeronáutica. Boa conformabilidade e resistência à corrosão, adequada para brasagem. 4 xxx Si Fundição e metal de adição. 5 xxx Mg 6 xxx Mg e Si 7 xxx Zn e Mg 8 xxx Outros (Li, Fe etc) Boa resistência mecânica e elevada resistência à corrosão e soldabilidade. Tratável termicamente, elevada resistência à corrosão, aplicações estruturais. Tratável termicamente, elevada resistência mecânica. COMPOSIÇÕES, PROPRIEDADES MECÂNICAS E APLICAÇÕES TÍPICAS PARA ALGUMAS LIGAS DE ALUMÍNIO 11

12 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO Recozimento para alívio de tensões e redução da dureza aquecimento em torno de 350 C etc LIGAS DE COBRE Bronze é uma liga de cobre-estanho, com um teor de estanho comumente entre 2 e 10%. Latão é uma liga de cobre-zinco, onde o teor de zinco pode variar de 5 a 50%. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS NÃO FERROSAS DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DA LIGA DE COBRE-ESTANHO (BRONZE) COM ATÉ 40% DE SN (CHIAVERINI; TECNOLOGIA MECÂNICA; VOL. III; MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA) 12

13 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DA LIGA DE COBRE-ZINCO (LATÃO) COM ATÉ 60% DE ZN (CHIAVERINI; TECNOLOGIA MECÂNICA; VOL. III; MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA) TEMPERATURA DE FUSÃO PARA ALGUNS METAIS Metal C Alumínio 660 Cobre 1085 Ferro 1536 Chumbo 327 Magnésio 649 Níquel 1455 Estanho 232 Zinco 420 MICROESTRUTURAS RESULTANTES DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO E DE EXTRUSÃO 13