NOTAS DE AULA – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS I AULA 2

Períodos pré-históricos – Idade da pedra, idade do bronze, ferro, revolução industrial.

Materiais mais utilizados no mundo é o aço e ferro fundido – áreas:Metal mecânica, construção civil, construção de viadutos, pontes, industrias de materiais elétricos, fabricação de motores.....1. Metais x homens

O ouro foi o primeiro metal a ser usado + - 8000 a.c, por ser um

material encontrado puro na natureza. (brilho)

O cobre foi utilizado à + - 7000 a.c para ser utilizado na fabricação de

adornos e ferramentas ( cobre+estanho = bronze)

O ferro mesmo sendo o mais abundante foi utilizado apenas 3500 a.c,

devido à dificuldade do seu processamento. Era conhecido como o “metal do céu” ou

“metal das estrelas”, pois nos meteoritos ocorre o ferro puro, o que não ocorre na

natureza. O material era aquecido e após martelado ( forjamento)

2. HISTÓRIA DO FERRO

Na China, por volta de 1000A.C. foram construídos os primeiros fornos que

permitiram a extração do ferro dos minérios (redução do ferro).

Na Europa, por volta do século XIV iniciou o desenvolvimento de uma tecnologia

mais sofisticada para obter o ferro.

Na metade do século XIX começou o desenvolvimento do alto-forno o início da

fabricação do ferro-gusa em grandes quantidades.

O dicionário diz: “Metal: quando em estado sólido, é um material com estrutura na forma de cristais, compostos por elementos químicos eletropositivos e que tem como

propriedades a dureza, a resistência mecânica, a plasticidade e a condutividade

térmica e elétrica”

Os metais podem estar puros na natureza, como o ouro e a platina, ou sob a forma de

minerais, ou seja, combinações de metais com outros elementos formando óxidos,

sulfetos, hidratos, carbonatos.

O lugar onde esses minérios aparecem em maior quantidade é chamado de jazida,

quando o mineral contém uma quantidade de metal e de impurezas que compensa a

exploração econômica , ele recebe o nome de minério.

3. Minérios de Ferro

Os minérios de ferro podem se apresentar nas seguintes formas:

a) Óxidos.b) Carbonatos

c) Sulfetos.

d) Hidratos.

Tipo Designação mineralógica

Designação química

Formula Teor metálico

Oxidos

Magnetita Óxido ferroso,

férrico

Fe3O4 45 a 70%

Limonita Óxido férrico Fe2O3 3H2O 40 a 60%

Hematita Óxido férrico Fe2O3 45 a 70%

Carbonato Siderita Carbonato

férrico

FeCO3 25 a 45%

Além dos elementos demonstrados acima o minério de ferro contém ainda cal, sílica,

aluminia, enxofre, manganês e magnésio e são considerados impurezas

No Brasil, existem grandes reservas de óxidos, que são os principais minérios de

ferro devido a grande quantidade de suas existências..

Os principais tipos são:

a) Hematita (Fe2O3)

b) Magnetita (Fe3O4)

A hematita tem coloração avermelhada, e é magnética.

Ferro_ terceiro metal em abundância na crosta, correspondendo a mais de 95% do consumo

de metais.

_ utilização de ferro gusa (produto bruto) para produção de aços puros.

_ uma porção significativa de outros metais (Ni, Cr, V, W, Co, Mn) são lavrados para

serem adicionados ao ferro, dando-lhe características, tais como, tenacidade e

resistência à corrosão.

Depósitos associados às rochas ígneas: Segregação Magmática _ grande massa de minério de ferro(magnetita) que forma-se

durante o resfriamento de um magma rico em ferro e pobre em sílica.

4. Sinterização e Pelotização

O minério para poder ser utilizado no alto forno necessita ter um tamanho

adequado de partícula. Para o alto-forno, a partícula dever de 10 a 30mm. Como nos

minérios encontrados 55% das partículas medem menos de 10,0mm, é necessário

aglomerá-los para poderem ser utilizado no alto-forno. Os processos utilizados são

sinterização e pelotização

A Sinterização é realizada misturando-se as partículas de minério com carvão moído,

calcário e água. A mistura é colocada em uma grelha entre 1000 e 1300ºC. O carvão

queima gerando calor, fazendo as partículas derretem superficialmente unindo-se umas

as outras. O sínter ainda quente é quebrado em pedaços menores.

Na Pelotização o minério é moído e umedecido adicionando-se insumos

(ligantes) e é largado em um moinho em forma de tambor, inclinado, que gira, e sob a

ação de um raspador forma aglomerados que vão se unindo até formar pelotas

Figura 1: Disco de Pelotização.

As pelotas cruas em seguinda são secadas e queimadas paraseu endurecimento.

Depois que o minério de ferro é beneficiado, ele vai para o alto forno para se tranformar

em ferro-gusa.

O ferro-gusa é a materia-prima para fabricação de aços e ferros fundidos.

3. FUNDENTEMaterial que ajuda o minerio de ferro a se fundir, calcário ( carbonato de cálcio).,

que além de facilitar a fusão, irá formar a escória, eliminado impurezas nocivas ao aço.

4. CARVÃO Para elevar a temperatura da carga e fundir o minério, utiliza-se carvão mineral

ou carvão vegetal. Porém, o carvão deverá ter um baixo teor de cinzas (material não-

volátil) tornando-o coqueificável.

O carvão vegetal é utilizado diretamente na carga do alto-forno, pois é

considerado um combustível de alta qualidade, ( prejuizo ambiental - desflorestamento)

enquanto o carvão mineral produz o coque, tem bom rendimento,alto teor de carbono,

4. 1. CoqueO coque é o produto da queima incipiente, onde as substâncias voláteis contidas

no carvão extraídas. Para que o carvão seja coqueificável é necessário que o teor de

cinzas não ultrapasse a um teor em torno de 65%.

A função do coque ou do carvão vegetal é fornecer o gás redutor (CO) que irá

separar o ferro do minério.

Minério de ferro + CO Ferro –gusa + escória.

NOTAS DE AULA – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS I AULA 3

O ALTO-FORNO E AS LIGAS DE FERRO

1. HISTÓRICO

Para fabrica o ferro fundido e o aço é necessário o ferro-gusa. O grande obstáculo para a produção do ferro é a alta temperatura necessária para a absorção do carbono.

Os primeiros a explorar o ferro foram os hititas (em torno de 1700A.C), povo que habitava a região do Cáucaso. Eles faziam um buraco no chão e aqueciam uma mistura de minério e carvão vegetal.

Na Europa, no começo do século XIX os processos de insuflação de oxigênio atingiram um nível tecnológico que permitiu aumentar a temperatura de combustão, agilizando o processo de obtenção do ferro. Surgiu aí a fundição de ferro e o alto-forno.

2. O ALTO-FORNO

O alto-forno é uma estrutura metálica que pode ter até 50 metro de altura (Big-blast Furnace) e se constitui de três regiões distintas: a cuba, a rampa e o cadinho.

A

D

A – Até 50mD – Até 20m

cuba

rampa

Cadinho

2. 1. Carga do Alto-forno

Como já vimos, a carga do alto-forno é constituída de coque ou carvão vegetal, fundente e minério de ferro, dispostos em camadas. Em torno da rampa estão dispostas as ventaneiras que insuflam ar aquecido, provocando a queima do coque, que irá liberar a energia necessária para a fusão do ferro.

Na parte inferior, cadinho, o ferro fundido é separado da escória por diferença de densidade. Mais em cima sai a escória, e mais embaixo são o ferro-gusa.

A vida útil de um alto-forno é grande, pois não pode ser desligado e ligado novamente, sob pena de se perder o alto-forno. O alto-forno 1 da Companhia Siderúrgica Nacional, CSN, iniciou a operação em 9 de janeiro de 1946 e só parou para a sua reforma em 20 de janeiro de 1992.

Ao sair do alto forno o gusa tem um teor de carbono entre 3 e 4,5%. O gusa pode ir para a aciaria para a fazer aço ou para a fundição de ferro fundido.

3. 2. Produtos do Alto-forno

Na região de descarga existem duas posições: a calha de vazão do ferro-gusa e a calha de separação da escória.

A escória é o subproduto gerado pelas reações que ocorrem dentro do alto-forno,Que é resultado da combinação de vários elementos que são removidos do aço líquido. Essa escória tem densidade menor que o ferro líquido, por isso ela se separa facilmente do ferro.

Na região da cadinho, a escória é removida num nível superior ao do fero líquido.

3. PRODUÇÃO DO AÇO

Para produzir aço é necessário corrigir a composição do ferro-gusa. Os elementos principais que fazem parte do gusa são:

- Ferro- Carbono (3 a 4,5%)- Manganês (em torno de 2,0%)- Silício(em torno de 1,0%)- Fósforo(em torno de 0,6%)- Enxôfre (em torno de 0,6%)

Para eliminar o excesso de carbono é realizada a oxidação do ferro gusa, isso é, o inverso do que foi feito para reduzir o minério. Para isso é insuflado ar para dentro do aço, que irá libera o carbono na forma de CO2. O oxigênio também irá reagir com outras impurezas, eliminando-as do aço através da escória.

4. CONVERSORES

Os principais equipamentos utilizados para fabricar aço, podem ser:

- Conversores.- Fornos elétricos a arco

Os conversores são equipamentos na forma de pêra que bascula. Quando estão na posição horizontal recebem a carga. Quando estão na posição inclinada despejam o aço no cadinho ou em lingoteiras.

4.1. Conversor Bessemer

É constituído por uma carcaça revestida de refratário . Seu fundo é cheio de orifícios por onde passa o ar sob pressão. O fundo é substituível.

Não é necessário combustível. A alta temperatura é mantida pelas reações químicas que ocorrem. O oxigênio se combina com o ferro que por sua vez se combina com o silício, o manganês e o carbono eliminando as impurezas na forma de escória e gás carbônico.

4.2 . Conversor Thomas

O outro conversor é o Thomas, que se diferencia do Bessemer apenas pelo tipo de revestimento refratário.

O revestimento do conversor Bessemer é ácido (a base de sílica), enquanto o conversor Thomas possuem revestimento refratário básico (a base de cal).

Por isso, o conversor Bessemer deverá trabalhar com escórias ácidas (a base de sílica), enquanto o conversor Thomas deverá trabalhar com escórias básicas (a base de cal).

chama

revestimento

Nível do metal líquido

Posição de sopro

Posição de descarregamento

4.3. Conversor L.D.

O conversor L.D. utiliza a injeção de oxigênio puro soprado sob pressão na superfície do gusa (zona de impacto), utilizando-se uma lança. A temperatura na zona de impacto chega a atingir 2500ºC acelerando a reação.

As desvantagens principal é que impossibilita o trabalho com sucata e a perda do metal por queima é muito grande.

4.4. Fornos a Arco Elétrico

É constituído por recipiente cilíndrico com fundo abaulado, revestidos com refratário. O aquecimento é gerado pela introdução de eletrodos que ao entrar em contato com a carga produzem um curto-circuito que provoca a fusão da carga.

A carga de um forno a arco é constituída basicamente por sucata e fundente e é um processo que permite o controle preciso do teor de carbono presente no aço.

Exercícios

1) O que é um alto-forno e que ele produz?2) Quais os componentes da carga de um alto-forno e qual a função de cada um

dos componentes?3) Qual a reação fundamental na fabricação do ferro-gusa?4) Qual a composição química básica do ferro-gusa?5) O que é a escória?6) O que é um aço?7) Qual a reação fudamental na fabricação do aço?8) Para que serve o conversor? 9) Cite os tipos de conversores dizendo qual o tipo de gás é injetado no mesmo?10) Que tipo de matéria-prima utilizada para fabricar aços em conversores?11) Qual a diferença fundamental entre um aço e um ferro fundido?12) Qual o princípio de funcionamento de um forno elétrico a arco?13) Qual o principal tipo de matéria-prima utilizada para fabricar aços em fornos

elétricos?

7. TIPOS DE MATERIAIS UTILIZADOS EM ENGENHARIA

São quatro os tipos de materiais utilizados em engenharia:

- Metais- Polímeros.- Cerâmicas.- Compósitos.

a) Metais: são a maioria dos elementos da tabela periódica. Possuem poucos elétrons na camada de valência. São bons condutores de eletricidade e calor, maleáveis e dúcteis, possuem brilho metálico característico e são sólidos, com exceção do mercúrio.

b) Polímeros: são derivados em sua maioria do petróleo, com algumas exceções como no caso do silicone. Possuem ligações covalentes. São maus condutores de calor e maus condutores de eletricidade. São muito dúcteis e maleáveis.

c) Cerâmicas: Possuem baixa densidade, baixa condutividade térmica, alta resistência à corrosão e à abrasão e a capacidade de suportarem altas temperaturas sem se deformarem. Além de outras características específicas presentes em alguns desses materiais ( supercondutividade, condutividade iônica, propriedades nucleares, etc.), a utilização desses materiais tem crescido

de forma surpreendente em uma infinidade de aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento humano. Este crescimento é fruto dos avanços do conhecimento científico e tecnológico no campo da ciência e engenharia dos materiais ocorridos nas últimas décadas.

d) Compósitos: São materiais formados pela combinação dos materiais anteriores. Existem compósitos que combinam polímeros com metais, cerâmico com metal, fibra de vidro com fibra de madeira, etc. A indústria aeronáutica já utiliza compósitos de alumínio com polímero (Aramida). Esse materiais permitem combinar propriedades, como por exemplo, leveza e resistência ao impacto, como no caso apontado anteriormente.

8. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

PROPRIEDADES

Físicas

Químicas

Mecânicas

Térmicas (condutibilidade)

Elétricas (resistividade)

Estáticas

Dinâmicas

Tração

compressão

Impacto

Fadiga

Dureza

Resistência à corrosão

Resistência à oxidação

9. Materiais Metálicos

Os materiais metálicos utilizados em engenharia se dividem em dois 3 grandes grupos :

a) Metais purosb) Ligas Ferrosasc) Ligas não-ferrosas.

Os metais puros possuem aplicações específicas como por exemplo o cobre, que é utilizado puro quando se quer a mínima resistência elétrica.

As ligas ferrosas se dividem em dois grandes grupos:

a) Aços.b) Ferros fundidos.

As ligas ferrosas tem o ferro como metal base (solvente), ao qual são adicionados elementos que irão dar características específicas.

A diferença básica entre aço e ferro fundido é o teor de carbono:

a) Aço: Até 2% C.b) Ferro fundido: Até 4,5%C.

As ligas não-ferrosas apresentam como base um metal diferente do ferro. Os principais tipos e mais aplicados industrialmente são:

a) Ligas de alumínio.b) Ligas de cobre.c) Ligas de Zinco.d) Ligas de magnésio.e) Ligas de níquel.f) Ligas de titânio.g) Ligas de cobalto.

NOTAS DE AULA – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS I AULA 3

AÇOS E FERROS FUNDIDOS

1. PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA

Para melhorar ou mesmo, conferir propriedades ao aço, são adicionados outros elementos em sua composição. Veremos a seguir os principais elementos e as propriedades que eles conferem.

a) Cromo

- Aumenta a temperabilidade (até 1,5%). É a mais forte influência sobre a temperabilidade.

- Aumenta a dureza pela formação de partículas duras de carboneto de cromo (em torno de 5%).

- Aumenta a resistência à corrosão (acima de 12%).

b) Molibdênio

- Aumenta a temperabilidade moderadamente.- Mantêm a dureza do aço em temperatura elevada.- Aumenta a resistência mecânica.

c) Tungstênio

- Aumenta a temperabilidade moderadamente.- Aumenta a resistência ao desgaste pela formação carbonetos duros.- Mantêm a dureza em alta temperatura.

d) Vanádio

- Inibe o crescimento do grão.- Aumenta a temperabilidade e a tenacidade.

e) Alumínio

- É utilizado como desoxidante na fabricação do aço.- É refinador de grão.

e) Titânio e Nióbio

- São refinadores de grão.

2. FERROS FUNDIDOS

Os ferros fundidos são obtidos a partir do gusa, são ligas compostas fundamentalmente por ferro, carbono e silício(1 a 3%). , podendo ainda receberem elementos de liga.São produzidos em sua maioria em equipamento chamados de cubilô.

3. 1. Tipos de Ferros Fundidos

.Existem quatro tipos de ferros fundidos:

- Ferro fundido branco- Ferro fundido cinzento.- Ferro fundido maleável.- Ferro fundido nodular.

O ferro fundido branco se diferencia do ferro fundido cinzento pela cor da fratura. Enquanto no branco a face de fratura apresenta a coloração branca, no ferro fundido cinzento a coloração é escura, daí a denominação.

No ferro fundido cinzento o carbono se apresenta na forma de grafita, que é carbono puro. No ferro fundido branco o carbono se apresenta na forma de cementita, que é um carboneto de ferro.

O ferro fundido maleável é produzido a partir do ferro fundido branco submetido a um tratamento térmico, que altera a forma na qual o carbono se apresenta. Esse passa de cementita para grafita, porém não em veios como no ferro fundido cinzento.

Composição química dos ferros fundidos comerciais

Ferro fundido cinzento

Ferro fundido maleável

4. 2. Propriedades Importantes dos Ferros Fundidos

a) Ferro fundido Branco

- Dureza eleva.- Frágil.- Resistente à compressão.- Resistente a abrasão.

b) Ferro fundido cinzento

- Boas usinabilidade.- Capacidade de amotecer vibrações.

b) Ferro Fundido Maleável

- Alta resistência mecânica.- Permite a produção de peças complexas e finas devido asua fluidez.- Pode ser de núcleo preto onde o tratmaneto térmico é realizado no sentido

de compactar a grafita dstruindo a forma lamelar do cinzento.- Pode ser de núcleo branco onde o tratamento ´termico é realizado no

sentido de remover o carbono por descarbonetação.

c) Ferro Fundido Nodular

- Pode apresentar ductilidade dependendodotratamento térmico realizado.- É tenaz e apresenta usinabilidde melhorque os aços-cabono.- É mais resistente à corrosão que de alguns aços-carbono.

4. 3. Aplicações

a) Branco

Ferro fundido nodular

- Mineração e moagem.- Rodas de vagões.- Revestimentos de moinhos.

b) Cinzento

- Bloco ecabeçotes demotor.- Discos e tambores de freio.- Suporte, base e baramentos de máquinas.

c) Maleável

- Cubos de rodas.- Conexões para tubulaçõe hidráulicas.- Corpos de mancais.- Flanges para tubos de escapamento.

d) Nodular

- Mancais.- Virabrequins.- Caixasdediferencial.- Carcaças de transmissão.

3. AÇOS

Os aços se diferenciam dos ferros fundidos fundamentalmente quanto ao teor de carbono. Enquanto nos ferros fundidos o o teor de carbono se situa entrew 2,5 e 4,0%, nos aços o teor de carbono não ultrapassa a 2,0% ( com excessão dos aços grafíticos).

A composição básica dos aços é a mesma dos ferros (C, Mn, Si, P, S) podendo apresentar elementos de liga ou não.

A classificação geral dos aços está mostrada no esquema abaixo:

AÇOS

Não-ligados – Aços ao carbono.

Ligados

Baixa liga

Aços para ferramentasAços rápidos Aços inoxidáveis

Aços de construção mecânica.Aços para ferramentas manuais.

Aços de usinabilidade fácil.

Baixa liga : Somatório dos elementos de liga é menor que 5%.

3. 1. Aços ao Carbono

São aços que possuem a composição básica (Fe, C, Mn, Si, P, S). Os teores de cada um desses elementos são os seguintes:

C – 0,04 a 0,9%Mn – 1,3% máx.Si – 0,15 a 0,35%P e S – máximo 0,04%.

3. 2. Aços de Usinabilidade Fácil

São aços aos quais são adicionados o chumbo, fósforo e enxôfre. Os tipos estão classificados da seguinte forma:

- Aços ressulfurados (S maior que 0,04%)- Aços resulfurados e refosforados ( S e P maiores que 0,04%)- Aços refosforados e resulfurados com chumbo.

3. 2. Aços de Baixa Liga

Estes aços abrangem um grupo de materiais utilizados na fabricação de componentes tais como: peças de veículos, máquinas, etc.

Também podem ser utilizados na fabricação de ferramentas manuais tais como: chaves de fenda, alicates, etc.

3. 3. Aços de Alta Liga

São aços utilizados para fins especiais, onde propriedades específicas devem ser atendidas.

a) Aços Ferramentas: são aços utilizados para a fabricação de ferramentas de conformação, que serão utilizadas para conformar componenetes mecânicos como: peças forjadas, injeção de plástico, etc.

Alta liga

b) Aços Rápidos: São aços utilizados para corte de outro aços. Possuem a propriedade de manter dureza em alta temperatura.

c) Aços Inoxidáveis: São aços onde a propriedade fundamental requerida é a resistência à oxidação.

EXERCÍCIOS

1 ) Qual a diferença fundamental entre o aço e o ferro fundido?2) Quais os principais tipos de ferros fundidos?3) Cite uma propriedade notável de cada tipo.4) Cite uma aplicação de cada tipo de ferro fundido.5) O que diferencia um aço de baixa liga de um aço de alta liga?6) Cite um exemplo de aplicação de um aço de construção mecânica.7) Que tipo de aço é utilizado para construir ferramentas de conformação?8) Que tipo de aços é utilizado para corte de outros aços?9) Que tipo de aço é indicado para resistência à corrosão?10) Qual o tipo de aço utilizado para facilitar a usinagem?