PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

TRATAMENTOS TERMICOS DOS AÇOS

ENGENHARIA INDUSTRIAL

Ano : 4 ano

Prof. Cláudio Antonio GarciaProcessos de Fabricação IndustrialData: revisada em julho de 2011

Engenharia metalúrgicaA Engenharia Metalúrgica é um ramo da engenharia, mais precisamente da engenharia de materiais que é dedicado ao estudo dos materiais metálicos, englobando sua caracterização estrutural, propriedades mecânicas, produção e processamento. O engenheiro metalurgista é também o responsável pelo desenvolvimento de novas ligas metálicas, com propriedades físicas, químicas e metalúrgicas adaptadas a usos diversos.

O metalurgista é aquele profissional que trabalha com as propriedades internas dos materiais, normalmente metálicos, enquanto o metalúrgico é o profissional que utiliza-se de um material já definido para uma aplicação definida, como por exemplo, fazer um portão de aço.

AustêmperaAustêmpera, é uma forma de tratamento térmico de têmpera indicada para aços de alto teor de C (Carbono), obtendo-se ao final do processo um material com dureza mais baixa do que a da martensita, denominado bainita.

O material é aquecido acima da zona crítica, assumindo a fase de austenita, e depois resfriado em duas etapas. A primeira etapa é um resfriamento rápido até uma temperatura ligeiramente acima da temperatura da mudança de fase da martensita ↔ austenita (normalmente o material é mergulhado em sal fundido). O material permanece nesta temperatura pelo tempo necessário a completar a mudança de fase austenita → bainita. Depois é resfriado até a temperatura ambiente.

Aços austemperados tem, como principal característica, a associação de elevada dureza com uma maior tenacidade, quando comparados com os aços temperados e revenidos. A austêmpera é frequentemente aplicada em anéis elasticos, pinos elásticos, alguns tipos de molas e peças pequenas, que necessitem de boa tenacidade.

Cementaçãocementação é o tratamento termoquímico que consiste em se introduzir carbono na superfície do aço com o objetivo de se aumentar a dureza superficial do material, depois de convenientemente temperado.

CromagemCromagem é um tipo de galvanoplastia em que um metal é recoberto com um fina camada de cromo. Pode ser feita com propósito decorativo ou como tratamento anti-corrosão.

DecapagemChama-se decapagem a todo o processo sobre superfícies metálicas que visa à remoção de oxidações e impurezas inorgânicas, como as carepas de laminação e recozimento, camadas de oxidação (como a ferrugem), crostas de fundição e incrustações superficiais.

Diferentes tipos de processos podem ser executados como decapagem, principalmente os seguintes:

Decapagem Eletrolítica Decapagem Mecânica Decapagem Química Decapagem Térmica

Processos de decapagem em metais ferrosos

Na fabricação de peças de aço e na indústria de aços planos, a decapagem tem grande importância, sendo aplicada entre as etapas de laminação a quente e a laminação a frio. Quando da saída do aço da etama de laminação a quente, a superfície do aço passa por um resfriamento brusco, reagindo com o oxigénio do ar, produzindo uma camada de óxidos.

Formam-se aí três óxidos, a magnetita, ou uma composição dos óxidos de ferro (II) e (III) (Fe3O4); a hematita, ou óxido de ferro (III) (Fe2O3); e a protoxita, óxido de ferro (II) (FeO).

No que tange ao processo de decapagem, esta pode ser uma das decapagens citadas anteriormente, ou uma combinação delas.

Quando trata-se de uma decapagem mecânica, causa-se danos por fissuras à camada de óxido ou a remove-se parcialmente, visando tornar mais fácil a posterior decapagem química. Neste tipo de decapagem, o objetivo é eliminar os óxidos e limpar completamente a superfície da chapa de aço. A decapagem eletrolítica é feita através da submersão soluções ácidas, similarmente à decapagem química, mas com a variação de se aplicar corrente elétrica ao sistema, com vistas a ocorrer uma eletrólise.

A decapagem térmica pode ser realizada por meio de remoção de graxas por recozimento, limpeza por chama e limpeza com pó de ferro.

A decapagem química é adequada a aços ditos macios, por meio de mergulho em banhos de ácidos sulfúrico ou clorídrico concentrado, a uma temperatura de 100ºC e 85ºC respectivamente, duranto a imersão de um minuto a um mês. O processo se dá pela ação do íon sulfato e do íon cloreto oriundos do ácido sulfúrico e do ácido clorídrico, respectivamente, que vão reagir com o ferro do aço e produzir sulfato de ferro (II):

Fe2+ + 2 SO4- → FeSO4

E cloreto de ferro:

Fe2+ + 2 Cl- → FeCl2

Com tais combinações do ferro ativo da superfície do metal, esta fica limpa.

Geralmente, já aos primeiros quinze minutos da imersão praticamente toda a camada de óxido é removida. Contudo, o tempo do banho de decapagem pode ser afetado por duas variáveis:

Características específicas do aço a decapar: natureza do aço, composição, estrutura e espessura da camada dos óxidos.

Características da solução do banho ácido: natureza do ácido, sua composição e temperatura da solução ao longo da imersão.

Após o período de imersão do produto de aço na solução ácida, é importante o posterior e imediato tratamento com abundância de água, até sob pressão, em jatos, para que não exista a possibilidade deste ser fragilizado pela corrosão, especialmente a chamada corrosão por pits .

Nas etapas químicas do processo de decapagem, estará incluída, geralmente, uma etapa de regeneração , visando eliminar o ferro proveniente da dissolução do aço no banho de decapagem, visando a recuperação de sua reatividade química e seu uso na linha de produção, nas etapas anteriormente descritas.

Os banho em ácido sulfúrico têm sido cada vez mais substituídos pelos banhos em ácido clorídrico, que têm uma capacidade de produção maior e uma superfície resultante mais uniforme e regular. Neste processo, o ácido é recuperado geralmente por um processo de pirohidrólise da solução, por meio da seguinte reação básica:

FeCl2 + H2O → Fe + 2 HCl + 1/2 O2

Nesse processo, o ácido é recuperado totalmente.

Por outro lado, os banhos de decapagem em ácido sulfúrico funcionam com um processo de regeneração parcial, que consiste em precipitar o ferro sob a forma de sulfato heptahidratado (FeSO4.7H2O), por esfriamento e cristalização da solução.

Os subprodutos dos processos de decapagem, também apresentam diferenças quanto ao aproveitamento. O sulfato de ferro, como subproduto da decapagem em ácido sulfúrico, era utilizado na agricultura, sendo atualmente, quase abandonado. Os óxidos de ferro sob a forma de hematite, subprodutos da precipitação e filtragem da decapagem em ácido clorídrico, são utilizados em eletrônica, na fabricação ferrites, mas não ganham grande valor, pois contém muitas impurezas[1].

Processos de decapagem em metais não ferrosos

Existem processos e composições similares adequados para a decapagem de metais não ferrosos, como os metais amarelos (cobre, latão, bronze e suas inúmeras variações e ligas), assim como para alumínio e suas ligas.

EncruamentoO encruamento é um fenômeno modificativo da estrutura dos metais, em que a deformação plástica realizada abaixo da temperatura de recristalização causará o endurecimento e aumento de resiliência do metal.

O encruamento de um metal pode ser definido como sendo o seu endurecimento por deformação plástica. Ocorre basicamente porque os metais se deformam plasticamente por movimento de discordâncias e estas interagem diretamente entre si ou com outras imperfeições, ou indiretamente com o campo de tensões internas de várias imperfeições e obstáculos. Estas interações levam a uma redução na mobilidade das discordâncias, o que é acompanhada pela necessidade de uma tensão maior para provocar maior deformação plástica.

Ensaio Jominy

Seção transversal do corpo de prova Jominy

O ensaio Jominy, em metalurgia, é designado para avaliar a temperabilidade de um aço, ou seja, a capacidade de se obter martensita por tratamento térmico de têmpera. Consiste num dispositivo onde se coloca um corpo de prova cilíndrico, austenitizado, sobre um jato de água, até seu total resfriamento. Em seguida é feita a medida de dureza ao longo de todo o seu eixo axial.

Procedimento

O procedimento do ensaio é descrito na norma ASTM A255.

Austenitização: O corpo de prova cilíndrico, com 1" de diametro x 4" de comprimento, é colocado em um forno a uma temperatura na faixa de 900ºC durante um período de 30 minutos.

Resfriamento: Após a austenitização, o corpo de prova é colocado em um dispositivo onde recebe um jato de água, de um tubo de 10mm de diametro colocado pouco abaixo de sua base, regulado a uma pressão correspondente a altura livre de 65mm.

Medição de Dureza: A dureza é medida em Rockwell C (HRC) a partir de um corte transversal à peça em intervalos de 1/16"

EsferoidizaçãoEsferoidização é um tratamento térmico para o aço, visando dar forma esférica a um dos tipos de grãos que formam o aço, os de um material denominado cementita. É um tipo de tratamento indicado para aços de alto teor de Carbono (contém mais cementita).

O tratamento reduz significativamente a dureza de aços de alto teor de C (Carbono), aumentando sua usinabilidade.

Um dos processos para a esferoidização consiste em submeter o material a diversos ciclos de aquecimento e resfriamento entre temperaturas acima e abaixo do limite inferior da zona crítica (mudança de fase perlita ↔ austenita). Outra forma possível é manter o material por longo tempo a uma temperatura imediatamente inferior à da zona crítica, seguido inicialmente por resfriamento lento por algum tempo e depois por resfriamento rápido.

De uma forma geral, é considerado um tratamento longo e caro.

FosfatizaçãoFosfatização é um processo em metalurgia de proteção superficial de metais, que consiste em se recobrir peças metálicas com fosfatos de zinco, ferro e manganês, tanto na forma de fosfatos neutros (PO4

−3) quanto monoácidos (HPO4−2). Devido a pouca

solubilidade dos fosfatos destes elementos químicos, depositam-se na superfície metálica na qual pretende-se a proteção ana forma de fina camada de cristais após o contato com soluções destes, sob determinadas condições.

Servem como um revestimento de conversão no qual uma solução diluída de ácido fosfórico, a qual é aplicada via spray ou imersão, quimicamente reage com a superfície da parte sendo revestida para formar uma camada de fosfatos cristalinos insolúveis.[1]

O retículo (disposição), a forma do revestimento e a velocidade de sua formação dependem dos fosfatos em questão e dos processos e condições durante sua formação.

Estas películas de fosfato possuem as seguintes propriedades principais: alto poder isolante químico e elétrico e baixa porosidade, as quais em conjunto atuarão para impedir a transmissão de correntes elétricas galvânicas, grande adererência à superfície metálica, boa adesividade aos lubrificantes (visando melhorar a lubricidade) e tintas e vernizes, com baixo custo de aplicação. São usadas sobre peças de aço para aumentar a resistência à corrosão.

Uma condição para a aplicação da fosfatização é a limpeza das peças, tando por desengraxe quanto por decapagem, visando respectivamente a remoção de óleos e graxas e a remoção de óxidos.

Revestimentos de vonversão em fosfato podem também ser usados sobre alumínio, zinco, cádmio, prata e estanho e suas ligas.[2]

Austenita

Diagrama de fase de ferro-carbono, mostrando as condições necessárias para se formar suas mais diferentes fases.

v • e

Fases das ligas à base de ferro

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materias à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

A austenita (ou ferro na fase γ) é uma fase sólida não magnética constituída de ferro na estrutura CFC. O ferro possui a propriedade de transformar-se da estrutura CCC (cubico de corpo centrado, caracteristica da ferrita-α) para a estrutura CFC (cubico de face centrada, caracteristica principal da austenita-γ). A transformação de cubico de corpo centrado para cubico de face centrado pode ocorrer a várias temperaturas, temperaturas as quais são determinadas pelos elementos presentes na liga metalica em questão, por exemplo essa transformação ocorre a 910°C (1183K) para o ferro puro e a 723°C (996K) para o aço carbono eutetóide (perlita), ver ligas metálicas. A austenita é o ponto de partida para vários tratamentos térmicos nas ligas de ferro, pois partindo da austenita é possivel a transformação da liga em vários microconstituintes, como por exemplo a têmpera que consiste na transformação da austenita em martensita por meio de um rápido resfriamento da peça tratada termicamente. O fase foi denominada em homenagem a um metalúrgico inglês, que ganhou título de Sir, William Chandler Roberts-Austen (1843-1902).

Ferrite (

v • e

Fases das ligas à base de ferro

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materias à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

Ferrite ou ferrita é um material feito de cerâmica com propriedades eletromagnéticas, normalmente utilizado como núcleo de transformadores elétricos. A ferrita tem uma estrutura cristalina cúbica. É comum encontrar este material dentro de rádios de ondas curtas, onde funciona como uma espécie de antena, devido a suas propriedades eletromagnéticas.

Este material é também muito utilizado na fabricação de Fita K7, fitas VHS, Betamax, Super-8, entre outros acessórios para armazenamento de áudio e vídeo. Também auxilia na gravação/execução das citadas fitas, juntamente com os cabeçotes de reprodução/gravação em aparelhos eletrônicos.

Diagrama de fase de ferro-carbono, mostrando as condições necessárias para se formar suas mais diferentes fases.

GRAFICO DO AÇO AUTETOIDE

Diagrama de ponto de ebulição

Ledeburita

v • e

Fases das ligas à base de ferro

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materias à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

Ledeburita, em metalurgia, é uma mistura eutética em um aço que contém 95,7% de ferro e 4,3% de carbono. Abaixo da temperatura de austenitização é composta de cementita e perlita, e acima a temperatura de austenitização é formada por austenita e cementita, Assim chamada em homenagem a Adolf Ledebur (1837-1916). Também é nesta faixa de percentual de carbono é que funcionam os altos fornos de siderúrgicas. A sua temperatura de fusão é 1 147 °C.

MartêmperaMartêmpera, ou têmpera interrompida, é uma forma de tratamento térmico de têmpera indicada para aços de alta liga, obtendo-se ao final do processo aço em fase de martensita com uniformidade de grãos.

O material é aquecido acima da zona crítica, assumindo a fase de austenita, e depois resfriado em duas etapas. A primeira etapa é um resfriamento rápido até uma temperatura ligeiramente acima da temperatura do início da mudança de fase martensita ↔ austenita (normalmente o material é mergulhado em sal fundido). Depois de um curto intervalo (da ordem de segundos) para obter a homogenização da temperatura, sofre outro resfriamento rápido até a temperatura ambiente.

Após a martêmpera (como qualquer têmpera, exceto a austêmpera), o aço deve ser revenido.

Metalurgia

Metalurgia (1875)

Metalurgia designa um conjunto de procedimentos e técnicas para extração, fabricação, fundição e tratamento dos metais e suas ligas.

Desde muito cedo, há mais de dez mil anos, o homem aproveitou os metais para fabricar utensílios, como o cobre, o chumbo, o bronze, o ferro, o ouro e a prata tiveram amplo uso na antiguidade.

Os primeiros altos-fornos apareceram no século XIII. A indústria metalúrgica teve novo impulso no século XVIII com a revolução industrial.

História da Metalurgia

Com o domínio do fogo, surgia a possibilidade da metalurgia. Com exceção do ouro e, eventualmente, da prata, do cobre, da platina e do mercúrio, todos os metais praticamente existem na natureza apenas na forma de minérios, isto é, combinados com outros elementos químicos e na forma oxidada, e para extraí-lo e "purificá-lo" (isso significa separar o metal da sua combinação inicial e transformar este em substância simples, ou seja, reduzir seu nox a zero) podemos ter como auxílio o processo de oxi-redução (eletrólise industrial).

A palavra “metal” vem do grego e significa “procurar, sondar”. O ouro compõe 1/200 000 000 da crosta terrestre, e é um dos metais mais raros. Mas provavelmente foi o primeiro metal a ser descoberto, exatamente por existir quase sempre em forma de pepita, cuja cor é um amarelo bonito e que chama a atenção. Era extremamente pesado, podia ser usado como ornamento por ser brilhante e podia ser moldado nas mais variadas formas, pois não era muito duro. Além disso, era permanente, uma vez que não oxidava nem deteriorava.

É provável que o ser humano tenha iniciado seu trabalho com o ouro há mais de dez mil anos. O ouro e, até certo ponto, a prata e o cobre eram valiosos devido à sua beleza e raridade e tornaram-se um meio de troca e uma ótima maneira de se armazenar riquezas. Por volta de 640 a.C., os lídios da Ásia Menor inventaram as moedas, pedaços de liga de ouro e prata com peso determinado, cunhados com um brasão do governo para garantir sua autenticidade.

Provavelmente, a primeira produção de metal foi obtida acidentalmente, ao se colocar certos minérios de estanho ou de chumbo numa fogueira. O calor de uma fogueira (cerca de 200 °C) e o carvão são suficientes para derreter e purificar estes minérios, produzindo um pouco de metal. Depois, o estanho e chumbo também podem ser derretidos e moldados numa fogueira comum.

As primeiras contas de chumbo conhecidas atualmente foram encontradas em Çatalhüyük, na Anatólia (atual Turquia), tendo sido datadas de 6500 a.C. Não está claro sobre quando os primeiros artefatos de estanho foram moldados, pois este é um metal muito mais raro que o chumbo. Os primeiros moldes de estanho poderiam ter sido também reutilizados mais tarde em misturas com outros metais e, assim, terem-se perdido seus registros.

Embora o chumbo seja um metal relativamente comum, é muito macio para ter grande utilidade, de modo que o início da metalurgia do chumbo não teve impacto significativo no mundo antigo. Para servir como ferramenta, outro metal mais duro era necessário e, assim, surgiu o cobre.

O cobre

Cobre

O período calcolítico, ou idade do cobre, fica entre a idade da pedra polida, ou neolítico, e a idade do bronze.

O cobre nativo era conhecido por algumas das mais antigas civilizações que se tem notícia e tem sido utilizado pelo menos há dez mil anos - onde atualmente é o norte do Iraque foi encontrado um colar de cobre de 8.700 a.C. Porém, o descobrimento acidental do metal pode ter ocorrido a vários milênios .

Havia alguns argumentos de que o cobre seria o primeiro metal a ter sido obtido acidentalmente em fogueiras, mas isso parece improvável, uma vez que fogueiras não são quentes o suficiente para derreter minérios de cobre nem cobre metálico. Um caminho mais provável pode ter sido através dos fornos de cerâmica, inventados na Pérsia (Irã) por volta de 6000 a.C. Fornos de cerâmicas, além de, logicamente, produzirem cerâmica, também podiam derreter certos quartzos de diferentes cores para vitrificar e tornar vasos de cerâmica coloridos; acontece que a malaquita (um minério de cobre oxidado) é uma pedra verde colorida, e um oleiro que tentasse produzir algum vidro com malaquita acabaria obtendo cobre metálico. Assim pode ter iniciado a metalurgia do cobre.

O primeiro artefato de cobre moldado conhecido é a cabeça de um martelo encontrada em Can Hasan, Turquia Central, sendo datado de 5000 a.C.

Embora na época fosse um metal raro, indícios apontam que o cobre foi utilizado no leste da Anatólia em 6500 a.C. em Alaca, necrópole pré-hititas. Em diversos sítios daquela região existem objetos que representam touros e cervos do metal. Também foram encontradas obras de joalheria e ourivesaria, que se presumem ter a mesma datação.

Em 3500 a.C. aproximadamente, acredita-se que tenha havido um rápido desenvolvimento da metalurgia na região da Mesopotâmia - e que este pode ter proporcionado o crescimento tecnológico daquela região.

Existem indícios em diversos sítios que em aproximadamente 3000 a.C., utensílios de cobre se disseminaram pelo Oriente Médio chegando a atingir culturas neolíticas na região da Europa.

Na Espanha e na Hungria, regiões em que o cobre é abundante, as tribos nômades faziam usos de objetos daquele metal, difundindo-o pela região.

O cobre gerou algum impacto no mundo antigo, pois produzia boas armas e armaduras razoáveis, mas ainda era muito macio para produzir ferramentas de corte úteis. Conseqüentemente, a metalurgia do cobre não substituiu a manufatura de armas e ferramentas de pedra, que ainda produziam lâminas superiores. o mércurio, também é um metal, porém é o único metal da tabela périodica(periodic table) que se encontra na natureza no estado líquido em vez dos sólidos como é normal em todo metal, este líquido que é metal,é altamente tóxico e causa sérios disturbios mentais e físicos em contato, de símbolo químico HG de número atômico 80 (80 prótons e 80 elétrons) e massa atómica 200,5 u, ele é bastante empregado por garimpeiros, que usam pouca informação e a natureza, como um dos maiores e mais drasticos meios de uso desse metal tão nocivo para ambos.

Bronze

Armas e ornamentos de bronze

O bronze é uma liga de cobre com um metalóide chamado arsênio ou de cobre com o metal estanho. A adição de arsênio ou de estanho no cobre aumentou dramaticamente sua dureza, produzindo armas e armaduras excelentes. O conhecimento da metalurgia do bronze permitiu aos reis superar seus inimigos e causou tal revolução que marcou o fim da Idade da Pedra e o começo da Idade do Bronze. Entretanto, passaram-se milênios até que o bronze pudesse ser usado por soldados comuns e por cidadãos, tendo sido, por muito tempo, artigo de luxo da nobreza.

Os primeiros bronzes de cobre/arsênio são da.Foram usados por muito tempo até serem substituídos pelos bronzes modernos de cobre/estanho por volta de 1500 a.C. Não se sabe ao certo se os ferreiros que produziam bronze de cobre/arsênio adicionavam conscientemente minérios de arsênio ou se exploravam minas de cobre que afortunadamente continham arsênio como contaminante.

Os primeiros bronzes de cobre/estanho datam de 3200 a.C., novamente da Ásia Menor. Os bronzes de cobre/estanho são mais duros e duráveis que os de cobre/arsênio e, além disso, o trabalho com arsênio não é seguro, uma vez que o arsênio é um elemento venenoso, podendo ter sido o primeiro “mal industrial” a atormentar o homem. Tudo isso contribuiu para tornar obsoleto o bronze de cobre/arsênio.

Como os ferreiros aprenderam a produzir bronze com cobre e estanho também é um mistério. Tal conhecimento provavelmente surgiu por um feliz acidente: pela contaminação de estanho em minérios de cobre, embora, por volta de 2000 a.C., saibamos que o estanho já era minerado para a produção de bronze. Isto é surpreendente, visto que o estanho é um metal semi-raro, e mesmo um minério rico em estanho como a cassiterita contém somente 5% dele. Igualmente, a cassiterita perece uma rocha comum, sendo necessário habilidades especiais (ou instrumentos especiais) para encontrá-la. Mas, quaisquer tenham sido os passos para se aprender sobre o estanho, ele já era bem compreendido em 2000 a.C.

Entre as mais notáveis relíquias da Idade do Bronze estão as escrituras épicas Ilíada e Odisséia, nas quais os guerreiros lutavam com armaduras de bronze e com lanças cujas pontas eram de bronze.

O minério de cobre não é comum, e as civilizações que usaram o bronze intensamente descobriram ter exaurido o suprimento local, tendo que importar grandes quantidades de outros países. O minério de estanho era ainda pior. O cobre já não é um componente comum da crosta terrestre, mas o estanho o é menos ainda. Aliás, o estanho é quinze vezes mais raro que o cobre. Isso queria dizer que pelo ano 2500 a.C., tempo em que ainda se encontrava o cobre em vários locais do Oriente Médio, o suprimento local de estanho parecia ter-se exaurido completamente.

Foi a primeira vez na história que os homens enfrentaram o esgotamento de um recurso natural; não apenas um esgotamento temporário, como o do alimento em tempos de seca, mas sim permanente. As minas de estanho esvaziaram-se e nunca mais tornariam a se encher.

Lingote de cobre encontrado em Creta

A menos que o ser humano pretendesse se ajeitar com o bronze existente, novos suprimentos de estanho teriam que ser encontrados em algum lugar. A busca continuou por áreas cada vez mais amplas e, por volta de 1000 a.C., os navegadores fenícios ultrapassavam a região Mediterrânea e talvez já chegassem a regiões tão distantes quanto Índia, África e Europa.

Porém, nesse interim, desenvolvera-se uma técnica de obtenção do ferro a partir de seus minérios em 1300 a.C., na Ásia Menor. O ferro era de purificação mais difícil. Exigia uma temperatura mais alta, e a técnica da utilização do carvão vegetal para esse propósito levou algum tempo para se desenvolver.

Alguns afirmam que a Idade do Bronze começa no período calcolítico, porém a liga nesta época era pouco utilizada. A divisão do período ainda é polêmica, isto ocorre devido à diversidade cultural dos povos das mais diversas regiões.

A forma encontrada para minimizar a polêmica foi dividindo a Idade (Período) do Bronze em três períodos: Idade (Período) do bronze antigo, (Período) Idade do bronze média e Idade (Período) do bronze recente.

Idade (Período) do bronze antigo

Idade ou período do bronze antigo: Nas culturas da região do mar Egeu foram encontrados sítios contendo vasos e joalheria de ouro, prata, bronze e estanho datadas torno de 2500 a.C. Na região de Creta e nas Cíclades, a época chamada de período do bronze antigo se inicia em 2700 a.C. e termina em [2100 a.C. Na região continental o período do bronze antigo se inicia em 2500 a.C. indo até 1900 a.C.

Idade (Período) do bronze média

Idade ou período do bronze médio, se inicia em aproximadamente 2700 a.C. na região de Creta e em 2000 a.C. na região continental, indo até 1600 a.C. em ambas. Nesta época a metalurgia teve predominância de vasos, peças de arte, e utensílios. As armas apresentavam grandes dimensões.

Idade (Período) do bronze recente

Idade ou período do bronze recente, se iniciou em 1600 a.C., se estendendo até 1200 a.C., nos sítios foram encontradas armas de formas e tamanhos diversos, além de objetos de arte e utensílios.

Outra liga metálica importante surgida no período entre 1600 e 600 a.C. é uma mistura de cobre e zinco, chamada latão. Esta foi utilizada mais recentemente pelos Roma na cunhagem de moedas. Polido, e dependendo de sua composição, o latão tem coloração praticamente idêntica à certas ligas de ouro-prata, diferindo apenas em sua massa.

Ferro

Hematita

Como a maioria de metais, o ferro não é encontrado na crosta terrestre em seu estado elementar, e sim combinado com o oxigênio ou com o enxofre. Seus minérios mais comuns são a hematita (Fe2O3) e a pirita (FeS2). O ferro funde à temperatura de 1370 °C e, em estado puro, é um metal relativamente macio.

Encontra maior utilidade em ferramentas na forma de aço, uma liga de ferro com carbono variando entre 0,02 e 1,7%. Quando fundido na presença de carbono, o ferro dissolve, ao contrário do cobre, consideráveis quantidades de carbono, às vezes chegando a 6%. Tal quantidade de carbono no ferro torna-o quebradiço, e tais ligas não podem mais ser chamadas de aço.

A extração de ferro de seus minérios ocorre com a ligação das impurezas (oxigênio ou enxofre) com o carbono. Como a própria taxa de oxidação aumenta rapidamente além do 800 °C , é importante que a fundição ocorra em um ambiente com pouco oxigênio.

Um aglomerado de cristais de pirita, 11 cm

O artefato de ferro mais antigo do mundo é um instrumento de quatro lados datado de aproximadamente 5000 a.C. Foi encontrado numa sepultura de Samarra, norte do Iraque. Apenas outros treze objetos de ferro são mais antigos que 3000 a.C., todos encontrados em três sítios do Oriente Médio: três esferas pequenas foram encontradas no nível de habitações em Tepe Sialk, norte do Irã, datado de 4600-4100 a.C., nove contas foram encontradas nas sepulturas do Gerzeh (cemitéio do período pré-dinástico), Egito, datado de 3500-3100 a.C. e um anel aproximadamente desta mesma idade foi encontrado numa sepultura de Armant, também no Egito.

A produção deste do ferro poderia, entretanto, ter-se iniciado antes destas datas, uma vez que a má conservação das peças de ferro supõe que outras mais antigas, que poderiam ter existido, não teriam chegado ao nosso tempo. Com o tempo, o ferro se transforma em ferrugem e acaba se desfazendo em pó.

Entre 3000 a.C. e 2000 a.C. crescente números de objetos de ferro forjado (distinto do ferro meteórico pela falta de níquel) surge na Ásia Menor, Egito e Mesopotâmia.

Na Ásia Menor, ocasionalmente usava-se ferro forjado para armas ornamentais: um punhal com lâmina de ferro e cabo de bronze foi recuperado de um túmulo hático de 2500 a.C. O rei egípcio Tutankhamon, que morreu em 1323 a.C., foi enterrado com um punhal de ferro com cabo de ouro. Em Ugarit, antiga cidade na atual Síria, recuperou-se uma antiga espada egípcia com o nome do faraó Merneptah (que reinou de 1213 a.C. a 1203 a.C.), assim como um machado de batalha com lâmina de ferro e cabo de bronze decorado de ouro. Sabe-se que os antigos hititas trocaram ferro por prata (o ferro valia 40 vezes mais que a prata) com a Assíria.

Mas o ferro não substituiu o bronze como principal metal usado para armas e ferramentas, apesar de algumas tentativas. A metalurgia do ferro exigia mais combustível e trabalho que a metalurgia do bronze, e a qualidade do ferro produzida pelos primeiros ferreiro pode ter sido inferior ao do bronze como material para ferramentas. Porém, entre 1200 e 1000 a.C., ferramentas e armas de ferro substituíram as de bronze em todo Oriente Médio. Este processo parece ter começado no império Hitita em torno de 1300 a.C., ou talvez no Chipre e sul da Grécia, onde artefatos de

ferro dominam o registro arqueológico após 1050 a.C. Por volta de 900 a.C., a Mesopotâmia estava totalmente na Idade do Ferro, e a Europa Central por volta de 800 a.C. A razão para esta adoção repentina do ferro permanece um tópico do debate entre arqueólogos. Uma teoria proeminente é que as guerras e as maciças migrações que se iniciaram ao redor 1200 a.C. teriam interrompido o comércio regional de estanho, forçando a mudança do bronze para o ferro. O Egito, entretanto, não experimentou uma transição tão rápida do bronze ao ferro: embora os metalúrgicos egípcios produzissem artefatos de ferro, o bronze continuou difundido até após sua conquista pela Assíria, em 663 a.C.

Produção de Ferro na Antigüidade

Para todos nós, a idéia da metalurgia do ferro está associada à imagem das grandes usinas siderúrgicas modernas, nas quais o gigantismo parece ser um atributo indispensável. No entanto, o ferro e mesmo o aço se fabricam desde remota antigüidade, devendo portanto existir, necessariamente, meios mais fáceis para sua obtenção.

Forno antigo (1700)

De fato, é muito fácil obter-se ferro metálico, especialmente a partir de um mineral chamado limonita. De 700 °C em diante, o minério já começa a derreter. Os primeiros fornos para produção de ferro eram de barro, com uma abertura na parte superior para a fumaça sair e outra na parte inferior, para o ar entrar; enche-se o forno com camadas alternadas de lenha e minério de ferro. Se a combustão ocorrer a contento, você tem a probabilidade de obter uma certa quantidade de ferro. Esse ferro também é chamado de lupa, não chega a fundir-se completamente e se apresenta sob a forma de umas bolas, com porções de minério aderidas, que são separadas depois, aquecendo o material novamente ao rubro e forjando-as com o malho. Os pedaços de minério que ainda se encontram relativamente puros são quebradiços e se desprendem enquanto a massa de ferro metálico, que é maleável se torna, pela forjadura, compacta e coerente.

O ferro forjado pode ser carburado. A carburação serve para transformar o ferro, que é macio, num aço mais duro. A carburação é feita mantendo-se o ferro forjado em brasas de carvão por algum tempo. No início da Idade do Ferro, os ferreiros já tinham descoberto que o ferro repetidamente reforjado e carburado produzia um metal de melhor qualidade. A têmpera por resfriamento do aço também já era conhecida naquela época. O aço temperado mais antigo é uma faca de aço encontrada no Chipre e datada de 1000 a.C.

O ferro produzido a partir do minério, porém, às vezes era satisfatoriamente duro e resistente. Isso não ocorria sempre, mas com freqüência suficiente para que os metalúrgicos labutassem na refinação do ferro. Acabou-se descobrindo que a adição do

carvão vegetal ao ferro em quantidade adequada o endurecia. Produzia o que hoje chamamos de “superfície de aço”.

Em 900 a.C., os siderúrgicos aprenderam a fazer isso propositadamente, e a Idade do Ferro começou. Repentinamente, a escassez do cobre e do estanho não tinha mais importância. Este é um exemplo de como os homens têm lidado com o esgotamento de recursos no curso da história. Em primeiro lugar, intensificaram a busca de novas provisões e, em segundo, encontraram substitutos. Esse foi o método de obtenção de ferro na antigüidade e, possivelmente, também na pré-história.

Produção de Ferro na Idade Média

Na Alta Idade Média, o processo siderúrgico corrente era o da forja catalã, que consiste num pequeno forno dentro do qual se coloca o minério junto com carvão de madeira, insuflando-se ar por meio de um fole, movido a braço ou mediante força animal. O êxito melhor que no processo da anterior, com fornos de lupa, pois o ar é soprado para dentro do forno e a combustão alcança maiores temperaturas. Mas também na forja catalã o ferro não chega a derreter completamente.

Barras de níquel

Durante todos esses milênios e até passado relativamente recente, a siderurgia foi, por excelência, uma atividade florestal. Praticava-se nas florestas, em um número de pequenos estabelecimentos, condicionados pela fácil obtenção de combustível (madeira). Tais estabelecimentos tinham caráter itinerante, pois acompanhavam a retração da floresta, à medida que esta ia sendo destruída. Também no Brasil, notadamente em Minas Gerais, a siderurgia propiciou em forjas semelhantes, que tiveram grande parte da responsabilidade no desflorestamento daquela região

Através da história, desde a descoberta da metalurgia, a utilização do metal tem aumentado, e de forma acelerada. Descobriram-se novos métodos de fabricação do aço no século XIX, e os metais desconhecidos aos antigos, como o cobalto, o níquel, o vanádio, o nióbio e o tungstênio, foram utilizados em combinação com o aço, formando ligas de metal de dureza e propriedades inusitadas. Desenvolveram-se métodos de obtenção do alumínio, do magnésio e do titânio, metais que têm sido usados para construções em grande escala.

Metalurgia do Ferro na Índia

Coluna de ferro na Índia

Talvez já em 300 a.C., e certamente por volta de 200 a.C., aço da alta qualidade estivesse sendo produzido no sul da Índia(Ceilão não é Índia) através de uma técnica que, mais tarde, seria chamada “aço de crisol” pelos europeus. Nesta técnica, ferro de alta pureza, carvão e eram misturados em um crisol e aquecidos até que o ferro derretesse e absorvesse o carbono. Uma das evidência mais antigas de metalurgia do ferro foi encontrada na área de Samanalawewa, em Sri Lanca, onde milhares de sítios foram encontrados (Juleff, 1996).

De modo surpreendente e intrigando os cientistas, encontra-se em Nova Deli, Índia, a enorme coluna de ferro de Qtar Al-Minar, fabricada por hindus há 2,5 mil anos e que pouco enferrujou. A técnica empregada para a obtenção de ferro com tal resistência à corrosão ainda é matéria de debate.

Metalurgia do Ferro na China

Arqueólogos e historiadores debatem se a metalurgia do ferro baseada nos fornos de lupa jamais difundiu-se do Oriente Médio à China. Ao redor 500 a.C., entretanto, metalúrgicos no estado de Wu, leste da China, desenvolveram uma tecnologia de fundição do ferro que não seria praticada na Europa até épocas medievais tardias. Em Wu, os fornos de ferro chegavam a temperaturas de 1130°C, quente o bastante para serem considerados altos-fornos. A esta temperatura, o ferro combina-se com 4.3% de carbono e derrete. Como um líquido, o ferro pode ser posto em moldes, um método muito mais trabalhosos que o forjamento individual cada peça de ferro a partir de uma lupa.

Moldes de ferro são frágeis e impróprios para ferramentas de choque. Pode, entretanto, ser decarborizado a aço ou ferro forjado aquecendo-se por vários dias. Na China, estes métodos de fundição de ferro difundiram-se para o sul e norte, e, por 300 a.C., o ferro eram o material preferido em toda China para a maioria das ferramentas e armas. Uma cova coletiva encontrada na província de Hebei(nordeste da China), datada do terceiro século antes de Cristo, contém diversos soldados enterrados com suas armas e outros equipamentos. Os artefatos recuperados desta cova são feitos de vários tipos de ferro

forjado e moldado, de aço temperado, com apenas alguma armas, provavelmente ornamentais, de bronze.

Durante a dinastia Han (202 a.C.-220 a.C.), a metalurgia chinesa de ferro chegou a uma escala e uma sofisticação não alcançadas no Ocidente até o século XVIII. No primeiro século, o governo Han estabeleceu a metalurgia do ferro como monopólio estatal e construiu uma série de grandes alto-fornos na província de Henan, cada um capaz de produzir diversas toneladas do ferro por dia. Por esta época, os metalúrgicos chineses descobriram como produzir ferro forjado a partir de ferro-gusa, movimentando-o derretido em contato com o ar até perder a maior parte de seu carbono.

Durante a mesma época, os metalúrgicos chineses descobriram que ferro forjado e ferro fundido poderiam ser derretidos e misturados, resultando numa liga com conteúdo intermediário de carbono, isto é, o aço. De acordo com a lenda, a espada de Liu Bang, o primeiro imperador do período Han, fora feita desta forma. Alguns textos da era mencionam “harmonizar o duro e o macio”, no contexto da metalurgia do ferro.

Para onde apontam as pesquisas

As pesquisas apontam que o período onde a idade do bronze de fato se firmou tecnologicamente foi entre 4000 a.C. e 2000 a.C. (independentemente das polêmicas). Uma pista importante sobre a disseminação da metalurgia foi encontrada no norte da Síria, numa localidade chamada Ugarit. Consta que foram encontrados utensílios diversos de bronze datados em torno de 3000 a.C.

Biblos

Sabe-se também que Biblos era um porto de influência egípcia que se localizava na região da costa fenícia em torno de 2000 a.C. Foram encontrados naquela região alguns sítios contendo túmulos cujos interiores continham punhais, facas e harpas de bronze, além de vasos de prata. Estas descobertas provaram haver adiantado estado tecnológico da metalurgia naquela região.

Escandinávia e Alemanha

Peças de bronze datadas de 1500 a.C. a 1200 a.C. foram encontradas nas regiões da Escandinávia e da Alemanha, estes objetos eram pulseiras e espadas, além de outros utensílios trabalhados artisticamente. Muitas peças encontradas nas mais diversas regiões da Europa tinham o formato de cisnes, e espirais que aparentemente representavam serpentes.

Oriente Médio

O Oriente Médio, supõem os historiadores, foi o berço da metalurgia primitiva, pois foi nesta região onde se encontraram os indícios mais antigos sobre esta atividade humana. Utensílios de ferro datados em torno de 1200 a.C. foram encontrados em diversos sítios.

Roma

Roma teve papel importante no desenvolvimento das tecnologias de fundição e extração dos metais. A prata e o ouro puros ou em liga, por exemplo, em torno do século V a.C., passaram a ser utilizados pelos romanos em adornos e utensílios. A metalurgia era usada para esculpir mulheres nuas, o que era uma forma de arte da época.

Mistura eutética

Mistura eutética, do grego eutektos, "facilmente fundida", é uma mistura de 2 ou mais sólidos, (como uma liga metálica), na qual o ponto de fusão é o mais baixo possível, e todos seus constituintes cristalizam simultaneamente a partir do líquido.

Uma das misturas eutéticas mais conhecida é a solda para componentes eletrônicos, feita de estanho e chumbo, onde o ponto de fusão desta é menor que o de seus componentes isolados (183 °C, contra 232 °C e 327 °C, respectivamente). Há também outras misturas eutéticas usadas em metalurgia, mesmo não-metálicas (para formar escória) e na indústria do vidro (na qual os componentes acrescentados, como o carbonato de sódio, são chamados "fundentes").

NiquelagemNiquelagem é um processo galvanoplástico em que um material (geralmente um metal) é recoberto com uma camada de níquel.

NitretaçãoNitretação é um tratamento termoquímico da metalurgia em que se promove enriquecimento superficial com nitrogênio, usando-se de um ambiente nitrogenoso à determinada temperatura, buscando o aumento da dureza do aço até certa profundidade. O objetivo é difundir o nitrogênio, para isso, um cubico de corpo centrado é melhor para a difusão, portanto, temperaturas abaixo de 720°C são ideais. A nitretação tem menos empenamento em relação a cementação, porem, a camada é muito mais fina, chega a 0,3µm a nitretação gasosa e a 0,15µm a nitretação a plasma. Com a nitretação, a dureza pode chegar a 1400HV.

Normalização (metalurgia)Normalização é um tratamento térmico semelhante ao Recozimento. Trata-se de um aquecimento do aço até a temperatura da zona crítica (formação de austenita), porém, com resfriamento mais rápido, à temperatura ambiente, resultando em uma estrutura com granulação mais fina.

Em comparação com o recozimento, a resistência mecânica obtida na normalização é mais alta, porém a ductilidade é menor.

A normalização é muitas vezes utilizada como tratamento de peças usinadas, forjadas, etc., que visa prepará-las para a Têmpera.

AÇOS COMUNS E LIGAS METALICAS

Classificação SAEA classificação dos aços segundo as normas da SAE (Society of Automotive Engineers - EUA) é a mais utilizada em todo o mundo para aços-carbono (aços sem adição de elementos de liga, além dos que permanecem em sua composição no processo de fabricação) e aços de baixa liga (aços com baixas porcentagens de elementos de liga).

A classificação SAE é baseada na composição química do aço. A cada composição normalizada pela SAE corresponde a uma numeração com 4 ou 5 dígitos.

A mesma classificação também é adotada pela AISI (American Iron and Steel Institute-EUA)

Um extrato contendo exemplos das classificações de alguns aços mais comuns é apresentado na listagem a seguir.

No total são previstas muitas dezenas de classificações. Nelas, os 2 dígitos finais XX indicam os centésimos da porcentagem de C (Carbono) contida no material, podendo variar entre 05, que corresponde a 0,05% de C, a 95, que corresponde a 0,95% de C. Se a porcentagem de C atinge ou ultrapassa 1,00%, então o final tem 3 dígitos (XXX) e a classificação tem um total de 5 dígitos.

SAE 1XXX – aço-Carbono

SAE 10XX – aço-carbono simples (outros elementos em porcentagens desprezíveis, teor de Mn de no máximo 1,0%)

SAE 11XX – aço-carbono com S (Enxofre) SAE 12XX – aço-Carbono com S e P (Fósforo) SAE 13XX – aço com 1,6% a 1,9% de Mn (Manganês) (aço-Manganês) SAE 14XX – aço-Carbono com 0,10% de Nb (Nióbio) SAE 15XX – aço-Carbono com teor de Mn de 1,0% a 1,65% (aço-Manganês)

SAE 2XXX – aço-Níquel

SAE 23XX – aço com Ni entre 3,25% e 3,75% SAE 25XX – aço com Ni entre 4,75% e 5,25%

SAE 3XXX – aço-Níquel-Cromo

SAE 31XX – aço com Ni entre 1,10% e 1,40% e com Cr entre 0,55% e 0,90% SAE 32XX – aço com Ni entre 1,50% e 2,00% e com Cr entre 0,90% e 1,25% SAE 33XX – aço com Ni entre 3,25% e 3,75% e com Cr entre 1,40% e 1,75% SAE 34XX – aço com Ni entre 2,75% e 3,25% e com Cr entre 0,60% e 0,95%

SAE 4XXX – aço-Molibdênio

SAE 40XX – aço com Mo entre 0,20% e 0,30% SAE 41XX – aço com Mo entre 0,08% e 0,25% e com Cr entre 0,40% e 1,20% SAE 43XX – aço com Mo entre 0,20% e 0,30%, com Cr entre 0,40% e 0,90% e

com Ni entre 1,65% e 2,00% SAE 46XX – aço com Mo entre 0,15% e 0,30%, com Ni entre 1,40% e 2,00% SAE 47XX – aço com Mo entre 0,30% e 0,40%, com Cr entre 0,35% e 0,55% e

com Ni entre 0,90% e 1,20% SAE 48XX – aço com Mo entre 0,20% e 0,30%, com Ni entre 3,25% e 3,75%

SAE 5XXX – aço-Cromo

SAE 51XX – aço com Cr entre 0,70% e 1,20%

SAE 6XXX – aço-Cromo-Vanádio

SAE 61XX – aço com Cr entre 0,70% e 1,00% e com 0,10% de V

SAE 7XXX – aço-Cromo-Tungstênio

SAE 8XXX – aço-Níquel-Cromo-Molibdênio

SAE 81XX – aço com Ni entre 0,20% e 0,40%, com Cr entre 0,30% e 0,55% e com Mo entre 0,08% e 0,15%

SAE 86XX – aço com Ni entre 0,30% e 0,70%, com Cr entre 0,40% e 0,85% e com Mo entre 0,08% e 0,25%

SAE 87XX – aço com Ni entre 0,40% e 0,70%, com Cr entre 0,40% e 0,60% e com Mo entre 0,20% e 0,30%

SAE 92XX – aço-Silício-Manganês

SAE 92XX – aço com Si entre 1,80% e 2,20% e com Mn entre 0,70% e 1,00%

SAE 93XX, 94XX, 97XX e 98XX – aço-Níquel-Cromo-Molibdênio

SAE 93XX – aço com Ni entre 3,00% e 3,50%, com Cr entre 1,00% e 1,40% e com Mo entre 0,08% e 0,15%

SAE 94XX – aço com Ni entre 0,30% e 0,60%, com Cr entre 0,30% e 0,50% e com Mo entre 0,08% e 0,15%

SAE 97XX – aço com Ni entre 0,40% e 0,70%, com Cr entre 0,10% e 0,25% e com Mo entre 0,15% e 0,25%

SAE 98XX – aço com Ni entre 0,85% e 1,15%, com Cr entre 0,70% e 0,90% e com Mo entre 0,20% e 0,30%

Apesar da classificação SAE ser bastante extensa e completa, conforme mostrado no extrato apresentado, muitos aços comumente usados não se enquadram nela, devido aos elementos de suas ligas não estarem dentro das faixas previstas nesta classificação.

Ferro

Ponte pênsil de aço (Golden Gate, São Francisco, EUA)

Manganês - Ferro - Cobalto

FeRu

Tabela periódica

Geral

Nome, símbolo, número Ferro, Fe, 26

Classe , série química Metal , transição

Grupo, período, bloco 8 ( 8 B ), 4 , d

Número CAS 7439-89-6

Densidade, dureza 7874 kg/m 3 , 4,0

Cor e aparência

Metálico brilhantecom tons acinzentados

Propriedades atómicas

Massa atómica 55,845(2) u

Raio atómico (calculado) 140(156) pm

Raio covalente 125 pm

Raio de van der Waals nenhma informação

Configuração electrónica [Ar]3d64s²

Elétrons por nível de energia

2, 8, 14, 2

Estados de oxidação (óxido) 2,3,4,6 ( anfótero)

Estrutura cristalina Cúbica centrado no corpo

Propriedades físicas

Estado da matéria sólido , (ferromagnético)

Ponto de fusão 1811 K (1538 °C)

Ponto de ebulição 3134 K (2861 °C)

Volume molar 7,09 ×10−6 m 3 /mol

Entalpia de vaporização 349,6 kJ/mol

Entalpia de fusão 13,8 kJ/mol

Pressão de vapor 7,05 Pa A 1808 K

Velocidade do som 4910 m/s at 293,15 K

Informações diversas

Eletronegatividade 1,83 (Escala de Pauling)

O ferro (do latim ferrum) é um elemento químico, símbolo Fe, de número atômico 26 (26 prótons e 26 elétrons) e massa atómica 56 u. À temperatura ambiente, o ferro encontra-se no estado sólido. É extraído da natureza sob a forma de minério de ferro que, depois de passado para o estágio de ferro-gusa, através de processos de transformação, é usado na forma de lingotes. Adicionando-se carbono dá-se origem a várias formas de aço.

Este metal de transição é encontrado no grupo 8B da Classificação Periódica dos Elementos. É o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre (aproximadamente 5%) e, entre os metais, somente o alumínio é mais abundante.

É um dos elementos mais abundantes do Universo; o núcleo da Terra é formado principalmente por ferro e níquel (NiFe). Este ferro está em uma temperatura muito acima da temperatura de Curie do ferro, dessa forma, o núcleo da Terra não é ferromagnético.

O ferro tem sido historicamente importante, e um período da história recebeu o nome de Idade do ferro.

O ferro, atualmente, é utilizado extensivamente para a produção de aço, liga metálica para a produção de ferramentas, máquinas, veículos de transporte (automóveis, navios, etc), como elemento estrutural de pontes, edificios, e uma infinidade de outras aplicações.

Características

É um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado apresentando propriedades magnéticas; é ferromagnético a temperatura ambiente, assim como o Níquel e o Cobalto.

É encontrado na natureza fazendo parte da composição de diversos minerais, entre eles muitos óxidos, como o FeO (óxido de ferro II, ou óxido ferroso) ou como Fe2O3 (óxido de ferro III, ou óxido férrico). Os números que acompanham o íon ferro diz respeito aos estados de oxidação apresentados pelo ferro, que são +2 e +3, e é raramente encontrado livre. Para obter-se ferro no estado elementar, os óxidos são reduzidos com carbono, e imediatamente são submetidos a um processo de refinação para retirar as impurezas presentes.

É o elemento mais pesado que se produz exotermicamente por fusão, e o mais leve produzido por fissão, devido ao fato de seu núcleo ter a mais alta energia de ligação por nucleon, que é a energia necessária para separar do núcleo um nêutron ou um próton. Portanto, o núcleo mais estável é o do ferro-56.

Apresenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura:

Ferro α: É o que se encontra na temperatura ambiente, até os 788 °C. O sistema cristalino é uma rede cúbica centrada no corpo e é ferromagnético.

Ferro β: 788 - 910 °C. Tem o mesmo sistema cristalino que o α, porém a temperatura de Curie é de 770 °C, e passa a ser paramagnético.

Ferro γ: 910 - 1400 °C; apresenta uma rede cúbica centrada nas faces. Ferro δ: 1400 - 1539 °C; volta a apresentar uma rede cúbica centrada no corpo.

Aplicações

O ferro é o metal mais usado, com 95% em peso da produção mundial de metal. É indispensável devido ao seu baixo preço e dureza, especialmente empregado em automóveis, barcos e componentes estruturais de edifícios.

O aço é a liga metálica de ferro mais conhecida, sendo este o seu uso mais frequente. Os aços são ligas metálicas de ferro com outros elementos, tanto metálicos quanto não metálicos, que conferem propriedades distintas ao material. É considerada aço uma liga metálica de ferro que contém menos de 2% de carbono; se a percentagem é maior recebe a denominação de ferro fundido.

As ligas férreas apresentam uma grande variedade de propriedades mecânicas dependendo da sua composição e do tratamento que se tem aplicado.

Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono com concentrações máximas de 2,2% em peso de carbono, aproximadamente. O carbono é o elemento de ligação principal, porém os aços contêm outros elementos. Dependendo do seu conteúdo em carbono são classificados em:

o Aço baixo em carbono. Contém menos de 0.25% de carbono em peso. Não são tão duros nem tratáveis termicamente, porém dúcteis. São utilizados em veículos, tubulações, elementos estruturais e outros. Também existem os aços de alta resistência com baixa liga de carbono, entretanto, contêm outros elementos fazendo parte da composição, até uns 10% em peso; apresentam uma maior resistência mecânica e podem ser trabalhados facilmente.

o Aço médio em carbono. Entre 0,25% e 0,6% de carbono em peso. Para melhorar suas propriedades são tratados termicamente. São mais resistentes que os aços baixo em carbono, porém menos dúcteis, sendo empregados em peças de engenharia que requerem uma alta resistência mecânica e ao desgaste.

o Aço alto em carbono. Entre 0,60% e 1,4% de carbono em peso. São os mais resistentes, entretanto, os menos dúcteis. Adicionam-se outros elementos para que formem carbetos, por exemplo, formando o carbeto de tungstênio, WC, quando é adicionado à liga o wolfrâmio. Estes carbetos são mais duros, formando aços utilizados principalmente para a fabricação de ferramentas.

Um dos inconvenientes do ferro é que se oxida com facilidade. Existem uma série de aços aos quais se adicionam outros elementos ligantes, principalmente o crômio, para que se tornem mais resistentes à corrosão. São os chamados aços inoxidáveis.

Quando o conteúdo de carbono da liga é superior a 2,1% em peso, a liga metálica é denominada ferro fundido. Estas ligas apresentam, em geral, entre 3% e 4,5% de carbono em peso. Existem diversos tipos de ferros fundidos: cinzento, esferoidal, branco e maleável. Dependendo do tipo apresenta aplicações diferentes: em motores, válvulas, engrenagens e outras.

Por outro lado, os óxidos de ferro apresentam variadas aplicações: em pinturas, obtenção de ferro, e outras. A magnetita (Fe3O4) e o óxido de ferro III (Fe2O3) têm aplicações magnéticas.

História

Peça de ferro da Idade do Ferro

Tem-se indícios do uso de ferro, seguramente procedente de meteoritos, quatro milênios a.C., pelos sumérios e egípcios.

Cada vez mais objetos de ferro, datados entre o segundo e terceiro milênio antes de Cristo, foram encontrados (estes se distinguem do ferro proveniente dos meteoritos pela ausência de níquel) na Mesopotâmia, Anatólia e Egito. Entretanto, seu uso provável destinou-se a fins cerimoniais, por ter sido um metal muito caro, mais do que o ouro na época. Algumas fontes sugerem que talvez o ferro era obtido como subproduto da obtenção do cobre.

Entre 1600 e 1200 a.C., observou-se um aumento de seu uso no Oriente Médio, porém não como substituto ao bronze.

Entre os séculos XII e X antes de Cristo, ocorreu uma rápida transição no Oriente Médio na substituição das armas de bronze para as de ferro. Esta rápida transição talvez tenha ocorrido devido a uma escassez de estanho, e devido a uma melhoria na tecnologia em trabalhar com o ferro. Este período, que ocorreu em diferentes ocasiões segundo o lugar, denominou-se Idade do ferro, substituindo a Idade do bronze. Na Grécia iniciou-se em torno do ano 1000 a.C., e não chegou à Europa ocidental antes do século VII a.C.. A substituição do bronze pelo ferro foi paulatina, pois era difícil produzir peças de ferro: localizar o mineral, extraí-lo, proceder a sua fundição a temperaturas altas e depois forjá-lo.

Na Europa central, surgiu no século IX a.C. a "cultura de Hallstatt" substituindo a "cultura dos campos de urnas", que se denominou "Primeira Idade do Ferro", pois coincide com a introdução do uso deste metal. Aproximando-se do ano 450 a.C., ocorreu o desenvolvimento da "cultura da Tène", também denominada "Segunda Idade do Ferro". O ferro era usado em ferramentas, armas e jóias, embora segue-se encontrando objetos de bronze.

Junto com esta transição de bronze ao ferro descobriu-se o processo de "carburação", que consiste em adicionar carbono ao ferro. O ferro era obtido misturado com a escória contendo carbono ou carbetos, e era forjado retirando-se a escória e oxidando o carbono, criando-se assim o produto já com uma forma. Este ferro continha uma quantidade de carbono muito baixa, não sendo possível endurecê-lo com facilidade ao esfriá-lo em água. Observou-se que se podia obter um produto muito mais resistente aquecendo a peça de ferro forjado num leito de carvão vegetal, para então submergi-lo na água ou óleo. O produto resultante, apresentando uma camada superficial de aço, era menos duro e mais frágil que o bronze.

Na China, o primeiro ferro utilizado também era proveniente dos meteoritos. Foram encontrados objetos de ferro forjado no noroeste, perto de Xinjiang, do século VIII a.C.. O procedimento utilizado não era o mesmo que o usado no Oriente Médio e na Europa.

Nos últimos anos da Dinastia Zhou (550 a.C.), na China, se conseguiu obter um produto resultante da fusão do ferro (ferro fundido). O mineral encontrado ali apresentava um alto conteúdo de fósforo, com o qual era fundido em temperaturas menores que as aplicadas na Europa e outros lugares. Todavia, durante muito tempo, até a Dinastía Qing (aos 221 a.C.), o processo teve uma grande repercussão.

O ferro fundido levou mais tempo para ser obtido na Europa, pois não se conseguia a temperatura necessária. Algumas das primeiras amostras foram encontradas na Suécia, em Lapphyttan e Vinarhyttan, de 1150 a 1350 d.C.

Na Idade Média, e até finais do século XIX, muitos países europeus empregavam como método siderúrgico a "farga catalana". Se obtinha ferro e aço de baixo carbono empregando-se carvão vegetal e o minério de ferro. Este sistema já estava implantado no século XV, conseguindo-se obter temperaturas de até 1200 °C. Este procedimento foi substituído pelo emprego de altos fornos.

No princípio se usava carvão vegetal para a obtenção de ferro como fonte de calor e como agente redutor. No século XVIII, na Inglaterra, o carvão vegetal começou a escassear e tornar-se caro, iniciando-se a utilização do coque, um combustível fóssil, como alternativa. Foi utilizado pela primeira vez por Abraham Darby, no ínício do século XVIII, construindo em Coalbrookdale um "alto forno". Mesmo assim, o coque só foi empregado como fonte de energia na Revolução industrial. Neste período a demanda foi se tornando cada vez maior devido a sua utilização, como por exemplo, em estradas de ferro.

O alto forno foi evoluindo ao longo dos anos. Henry Cort, em 1784, aplicou novas técnicas que melhoraram a produção. Em 1826 o alemão Friedrich Harkot construiu um alto forno sin mampostería para humos.

Em finais do século XVIII e início do século XIX começou-se a empregar amplamente o ferro como elemento estrutural em pontes, edifícios e outros. Entre 1776 e 1779 se construiu a primeira ponte de ferro fundido por John Wilkinson e Abraham Darby. Na Inglaterra foi empregado pela primeira vez o ferro na construção de edifícios por Mathew Boulton e James Watt, no princípio do século XIX. Também são conhecidas outras obras deste século, como por exemplo, o "Palácio de Cristal" construído para a Exposição Universal de 1851 em Londres, do arquiteto Joseph Paxton, que tem uma armação de ferro, ou a Torre Eiffel, em Paris, construída em 1889 para a Exposição Universal, onde foram utilizadas milhares de toneladas de ferro.

Abundância e obtenção

É o metal de transição mais abundante da crosta terrestre, e quarto de todos os elementos. Também abunda no Universo, havendo-se encontrados meteoritos que contêm este elemento. O ferro é encontrado em numerosos minerais, destacando-se:

A hematita (Fe2O3), a magnetita (Fe3O4), a limonita (FeO(OH)), a siderita (FeCO3), a pirita (FeS2) e a ilmenita (FeTiO3).

Pode-se obter o ferro a partir dos óxidos com maior ou menor teor de impurezas. Muitos dos minerais de ferro são óxidos.

A redução dos óxidos para a obtenção do ferro é efetuada em fornos denominados alto forno ou forno alto. Nele são adicionados os minerais de ferro, em presença de coque, e carbonato de cálcio, CaCO3 , que atua como escorificante.

No processo de obtenção, geralmente é usado a hematita, que apresenta ponto de fusão de 1560 °C. Para que essa temperatura seja diminuída, é adicionado o carbonato de cálcio (CaCO3). Além de promover a redução do ponto de fusão da hematita, ele atua reagindo com impurezas presentes como o dióxido de silício (SiO2) formando o metassilicato de cálcio (CaSiO3), conhecido como escória. O coque (carbono amorfo, com mais de 90% de pureza) é usado para promover a redução da hematita, transformando o Fe3+ em Fe(s). Inicialmente, o coque, em presença de excesso de O2

fornecido pelo ar, reage produzindo CO2. O dióxido de carbono assim produzido, e também proveniente do carbonato de cálcio, reagem com o coque que é constantemente adicionado ao alto forno, produzindo CO. Este, por fim será o responsável por reagir com Fe2O3 produzindo Fe(s) e CO2

O processo de oxidação do coque com oxigênio libera energia. Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcançar 1900 °C.

Redução dos minerais que são óxidos:

Inicialmente, os óxidos de ferro são reduzidos na parte superior do alto forno, parcial ou totalmente, com o monóxido de carbono, já produzindo ferro metálico. Exemplo: redução da magnetita:

Fe3O4 + 3CO → 3FeO + 3CO2 FeO + CO → Fe + CO2

Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura é mais elevada, ocorre a maior parte da redução dos óxidos com o coque (carbono):

Fe3O4 + C → 3FeO + CO

O carbonato de calcio se decompoem:

CaCO3 → CaO + CO2

e o dióxido de carbono é reduzido com o coque a monóxido de carbono, como visto acima.

Na parte mais inferior do alto forno ocorre a carburação:

3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 Processos de enriquecimento:

Finalmente ocorre a combustão e a desulfuração (eliminação do enxofre) devido à injeção de ar no alto forno, e por último são separadas as frações: a escória do ferro fundido, que é a matéria-prima empregada na indústria.

O ferro obtido pode conter muitas impurezas não desejáveis, sendo necessário submetê-lo a um processo de refinação que pode ser realizado em fornos chamados convertedores.

Em 2004, os cinco maiores países produtores de ferro eram a China, o Brasil, a Austrália, a Índia e a Rússia, com 74% da produção mundial.[1]

Compostos

Água com compostos de ferro Os estados de oxidação mais comuns são +2 e +3. Os óxidos de ferro mais

conhecidos são o óxido de ferro II, FeO, o óxido de ferro III, Fe2O3, e o óxido misto Fe3O4. Forma numerosos sais e complexos com estes mesmos estados de oxidação. O hexacianoferrato II de ferro III, usado em pinturas, é conhecido como azul da Prússia ou azul de Turnbull.

São conhecidos compostos de ferro com estados de oxidação +4, +5 e +6, porém são pouco comuns. No ferrato de potássio, K2FeO4, usado como oxidante , o

ferro apresenta estado de oxidação +6. O estado de oxidação +4 é encontrados em poucos compostos e também em alguns processos enzimáticos.

O Fe3C é conhecido como cementita, contém 6,67 % em carbono. O ferro α é conhecido como ferrita, e a mistura de ferrita e cementita é denominada perlita ou ledeburita, dependendo do teor de carbono. A austenita é o ferro γ.

Papel biológico

O ferro é praticamente encontrado em todos os seres vivos e cumpre numerosas e variadas funções.

Há diferentes proteínas que contêm o grupo hemo, que consiste na ligação da porfirina com um átomo de ferro. Alguns exemplos:

o A hemoglobina e a mioglobina. A primeira transporta oxigênio, O2, e a segunda o armazena. A hemoglobina localiza-se no sangue e, pelo fato de ter átomos de ferro, a cor do sangue é vermelha.

o Os citocromos reduzem o oxigênio em água. Os citocromos P450 catalisam a oxidação de compostos hidrofóbicos, como fármacos ou drogas, para que possam ser excretados, e participam na síntese de diversas moléculas.

o As peroxidases e catalases catalisam a oxidação de peróxidos, H2O2, que são tóxicos.

As proteínas de ferro/enxofre (Fe/S) participam em processos de transferência de elétrons.

Também é possível encontrar proteínas onde os átomos de ferro se enlaçam entre si através de pontes de oxigênio. São denominadas proteínas Fe-O-Fe. Alguns exemplos:

o As bactérias metanotróficas, que usam o metano, CH4, como fonte de energia e de carbono, usam proteínas deste tipo, chamadas monooxigenases, para catalisar a oxidação do metano.

o A hemeritrina transporta oxigênio em alguns organismos marinhos. o Algumas ribonucleótideo redutases contêm ferro. Catalisam a formação

de desoxinucleótideos.

Tanto o excesso como a deficiência de ferro podem causar problemas no organismo. O envenenamento por ferro é chamado de hemocromatose enquanto que a sua deficência é conhecida popularmente como anemia. A palavra anemia, apesar de estar popularmente associada à carência de ferro no organismo, não é utilizada unicamente para ela. Para a carência de ferro no organismo, cabe o nome específico de anemia ferropriva. Nas transfusões de sangue são usados ligantes que formam com o ferro complexos de alta estabilidade, evitando que ocorra uma queda demasiada de ferro livre. Estes ligantes são conhecidos como sideróforos. Muitos organismos empregam estes sideróforos para captar o ferro que necessitam. Também podem ser empregados como antibióticos, pois não permitem ferro livre disponível.

Sua carência nos humanos pode causar, além da anemia, anorexia, sensibilidade óssea e a clima frio, prisão de ventre, distúrbios digestivos, tontura, fadiga, problemas de crescimento, irritabilidade, inflamação da língua.

Seu excesso (em nível de nutriente) nos humanos pode causar: igualmente anorexia, tontura, fadiga e dores de cabeça.[2][3]

O tanino presente no chá e café inibem, em 64 e 33% respectivamente, a absorção de ferro. O magnésio inibe a absorção de ferro quando a presença do primeiro é 300 vezes maior do que o ferro, o zinco quando cinco vezes maior e o cálcio em quantidades superiores a 500 mg, embora a influência do cálcio ainda seja discutida.

A deficiência de vitamina A inibe a utilização do ferro.

Polifenóis se ligam ao ferro e impedem sua absorção.

Aspectos nutricionais e metabólicos

O ferro é um dos elementos mais facilmente encontráveis na superfície da Terra, mas mesmo assim, sua deficiência é a causa mais comum de anemia, afentando cercade 500 milhões de pessoas em todo mundo. Isso se deve à capacidade limitada do organismo na absorção de ferro e à freqüência da perda de ferro por hemorragia.

Absorção

A absorção do ferro, especialmente de origem vegetal, é aumentada com a ingestão conjunta de alimentos levemente ácidos (ou proteínas) e também por alimentos ricos em ácido ascórbico (vitamina C).

Estudos indicam que a absorção de ferro aumenta de 3,7 para 10,4% quando se adiciona a ingestão de 40 a 50 mg de vitamina C, por mantê-lo solúvel. Alguns açucares como a frutose também colaboram para a absorção de ferro.

Distribuição e transporte no organismo

O transporte e armazenamento do ferro é mediado por três proteínas - transferrina, receptor de transferrina e ferritina. A transferrina pode conter até dois átomos de ferro. Ela entrega o ferro aos tecidos que têm receptores de transferrina, especialmente eritoblastos na medula óssea que incorporam o ferro na hemoglobina. A transferência então é reutilizada. No final da sobrevida, os eritrócitos são destruídos nos macrófagos do sistema reticuloendotelial; o ferro é liberado da hemoglobina, entra no plasma e fornece a maioria do ferro da transferrina. Somente uma pequena porção do ferro da transferrina plasmática vem da dieta, absorvido no duodeno e no jejuno.

Algum ferro é armazenado nas células reticulares endoteliais, como a ferritina e hemossiderina, em quantidades muito variáveis, conforme a situação das reservas desse elemento no organismo. Em geral a ferritina é um complexo protéico hidrossolúvel de ferro com peso molecular 465.000, é formada de uma concha protéica externa, a apoferrina, que consiste de 22 subunidades, e de um núcleo de hidroxifosfato de ferro. Contém até 20% em peso de ferro e não é visível à microscopia óptica. Cada molécula de apoferrinpode ligar até 4.000 a 5.000 átomos de ferro. A hemossiderina é um complexo protéico insolúve de ferro, de composição variável, contendo cerca de 37% em peso de ferro. É derivada da digestão lisossômica parcial de agregação de moléculas de ferritina e visível à microscopia óptica nos macrófagos e em outras células após

coloração com Perls (azul da Prússia). O ferro na ferritina e na hemossiderina está na forma ferrosa, com envolvimento da vitamina C. Uma enzima que contém cobre, a ceruloplasmina, cataliza a oxidação do ferro para a forma férrica para a ligação na transferrina plasmática.

O ferro também está presente nos músculos, como na mioglobina, e na maioria das células do organismo em enzimas que contêm ferro, como, p. ex., citocromos, desidrogenase succínica, catalase, etc. O ferro tissular tem menos probabilidade de ser depletado que a hemossiderina, a ferritina e a hemoglobina em estado de deficiência de ferro, mas pode ocorrer alguma redução no conteúdo de enzimas contendo heme.

Os níveis de ferritina e os de receptor de transferrina (TfR) correlacionam-se com as reservas de ferro, de modo que a sobrecarga de ferro causa aumento na ferritina tissular e queda no TfR, enquanto na deficiência de ferro a ferritina é baixa, e o TfR, alto. Essa relação surge por intermédio da ligação de uma resposta ao ferro (IREs) na ferritina e nas moléculas de (mRNA de TfR. A deficiência de ferro aumenta a capacidade de a IRP ligar-se aos IRES, enquanto a sobrecarga diminui a ligação. O sítio de ligação de IRP em IREs, a montante (5') ou jusante (3') do gene codificador determina aumento ou diminuição da mRNA e, portanto, de proteína.

Necessidades

A quantidade diária de ferro necessária para compensar tanto perdas do organimo como o crescimento varia com a idade e o sexo; é maior na gravidez, na adolescência e nas mulheres que menstruam. Esses grupos, portanto, são particularmente suscetíveis a desenvolver deficiências de ferro quando há perda adicional ou diminuição prolongada da ingestão.

Deficiência

Características clínicas

Quando há deficiência de ferro os depósitos reticuloendoteliais (hemossiderina e ferritina) são totalmente depletados antes que ocorram anemia. À medida que a doença evolui, o paciente pode ter sinais e sintomas gerais de anemia e apresentar glossite indolor, estomatite angular, unhas friáveis ou em colher (coiloníquia), disfagia como resultado de membranas faríngeas (Síndrome de Paterson-Kelly ou Plummer-Vinson) e perversão do apetite (pica). A causa das alterações epiteliais não é clara, mas pode ser relacionada à diminuição de ferro nas enzimas que o contêm. Em crianças, a deficiência de ferro é sobremaneira significativa porque causa irritabilidade, má função cognitiva e diminuição no desenvolvimento psicomotor.

Causa de deficiência

Perda crônica de sangue, especialmente uterina e no trato gastrointestinal, é a causa dominante.

Tratamento

Sempre que possível, é tratada a causa subjacente. Além disso, é administrado ferro para corrigir a anemia e repor os depósitos.

Isótopos

O ferro tem quatro isótopos estáveis naturais: 54Fe, 56Fe, 57Fe e 58Fe. As proporções relativas destes isótopos na natureza são aproximadamente: 54Fe ( 5,8% ), 56Fe ( 91,7% ), 57Fe (2,2%) e 58Fe ( 0,3% ).

Precauções

O ferro em excesso é tóxico. O ferro reage com peróxido produzindo radicais livres. A reação mais importante é:

Fe (II) + H2O2 → Fe (III) + OH- + OH·

Porém esta mesma reação pode ter aplicação científica e industrial, na chamada Reação de Fenton.

Quando o ferro se encontra nos níveis normais, os mecanismos antioxidantes do organismo podem controlar este processo.

A dose letal de ferro em crianças de 2 anos é de 3 gramas. 1 grama pode provocar um envenenamento importante.

O envenenamento por ferro é denominado hemocromatose. O ferro em exceso se acumula no fígado provocando danos neste órgão.

Minério de ferro

A hematite é um minério de ferro muito comum

Os minérios de ferro são rochas a partir das quais pode ser obtido ferro metálico de maneira economicamente viável. O ferro encontra-se geralmente sob a forma de óxidos, como a magnetite e a hematite ou ainda como um carbonato, a siderite.

Os minérios de ferro têm um teor de ferro variável consoante o mineral ferrífero:

Mineral Fórmula química Conteúdo teórico Conteúdo teórico

em ferroem ferro

após calcinação

hematite Fe2O3 69,96 69,96

magnetite Fe3O4 72,4 72,4

magnesioferrite MgO·Fe2O3 56-65 56-65

goethite Fe2O3·H2O 62,9 70

hidrogoethite 3Fe2O3·4H2O 60,9 70

limonite 2Fe2O3·3H2O 60 70

siderite FeCO3 48,3 70

pirite FeS2 46,6 70

pirrotite Fe1-xS 61,5 70

ilmenite FeTiO3 36,8 36,8

Mineração

A extracção de minério de ferro é uma indústria presente na maior parte dos países. Os dez maiores produtores mundiais (dados de 2006[1] são a China, Austrália, Brasil, Índia, Rússia, Ucrânia, Estados Unidos, África do Sul, Canadá e Suécia.

O consumo mundial de minério de ferro cresce cerca de 10% ao ano e os maiores consumidores são a China, Japão, Coreia, Estados Unidos e a União Europeia.

Os métodos de mineração variam consoante o tipo de minério. Os quatro principais, sob o ponto de vista de interesse económico, são a magnetite, titanomagnetite, hematite e pisolite.

Ferro fundidov • e

Fases das ligas à base de ferro

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materias à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

O ferro fundido é uma liga de ferro em mistura eutética com elementos à base de carbono e silício. Forma uma liga metálica de ferro, carbono (entre 2,11 e 6,67%), silício (entre 1 e 3%), podendo conter outros elementos químicos.

Os ferros fundidos dividem-se em três tipos principais: branco, cinzento e nodular.

Ferro fundido cinzento

Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafite livre em sua microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação.

Este tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. A presença de veios de grafite em sua microestrutura proporciona diversas características que tornam do ferro fundido cinzento quase que insubstituível na fabricação de carcaças de motores e bases de equipamentos. A grafite, entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações, facilita a usinagem e confere ao ferro fundido uma melhor estabilidade dimensional.

Existem diversas classes de ferro fundido cinzento, com diferentes tipos, tamanhos e quantidades de grafite e diferentes tipos de matriz metálica (variações nos teores de

perlita e ferrita). Podem ser submetidos a tratamentos térmicos para endurecimento localizado, porém, em geral, são utilizados nos estados normalizado ou recozido.

Ferro Fundido Branco

Menos comum que o ferro fundido cinzento, o branco é utilizado em peças em que se necessite elevada resistência a abrasão. Este tipo de ferro fundido não possui grafita livre em sua microestrutura. Neste caso o carbono encontra-se combinado com o ferro, resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado. A peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material. É utilizado na fabricação de equipamentos para a moagem de minérios, pás de escavadeiras e outros componentes similares.

Ferro fundido nodular

O ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido, onde o carbono (grafite) permanece livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal. Este formato da grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo ao material características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento, devido às estreitas faixas de composição químicas utilizadas para este material.

O ferro fundido nodular é utilizado na indústria para a confecção de peças que necessitem de maior resistência a impacto em relação aos ferros fundidos cinzentos, além de maior resistência à tração e resistência ao escoamento, característica que os ferros fundidos cinzentos comuns não possuem à temperatura ambiente.

Propriedades mecânicas dos nodulares: boa resistência mecânica à tracção, boa ductilidade e resiliência, boa resistência à compressão.

Ferro fundido maleável Propriedades mecânicas dos maleáveis: baixa resistência mecânica à tracção,

baixa ductilidade e resiliência, boa resistência à compressão.

Ferro fundido austemperado Propriedades mecânicas dos austemperados: alta tenacidade e resistência

mecânica à tracção duas vezes superior ao nodular, e ductilidade igual aos nodulares.

Aço.

Cabos de aço

Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%.

A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductibilidade, é facilmente deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é fabricada pelo processo de fundição.

Classificação

O aço pode ser classificado da seguinte maneira:

Quantidade de carbono Composição química Quanto à constituição microestrutural Quanto à sua aplicação

A classificação mais comum é de acordo com a composição química, dentre os sistemas de classificação química o SAE é o mais utilizado, e adota a notação ABXX, em que AB se refere a elementos de liga adicionados intencionalmente, e XX ao percentual em peso de carbono multiplicado por cem.[1]

Além dos componentes principais indicados, o aço incorpora outros elementos químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do combustível empregue no processo de fabricação, como o enxofre e o fósforo. Outros são adicionados intencionalmente para melhorar algumas características do aço para aumentar a sua resistência, ductibilidade, dureza ou outra, ou para facilitar algum processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de elementos de liga como o níquel, o cromo, o molibdênio e outros.

No aço comum o teor de impurezas (elementos além do ferro e do carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode considerado

aço de baixa-liga, acima de 5% é considerado de alta-liga. O enxofre e o fósforo são elementos prejudicais ao aço pois acabam por intervir nas suas propriedades físicas, deixando-o quebradiço. Dependendo das exigências cobradas, o controle sobre as impurezas pode ser menos rigoroso ou então podem pedir o uso de um anti-sulfurante como o magnésio e outros elementos de liga benéficos. Existe uma classe de aços carbono, conhecida como aços de fácil usinabilidade, que contém teores mínimos de fósforo e enxofre. Estes dois elementos proporcionam um melhor corte das ferramentas de usinagem, promovendo a quebra do cavaco e evitando a aderência do mesmo na ferramenta. estes aços são utilizados quando as propriedades de usinabilidade são prioritárias, em relação as propriedades mecânicas e microestruturais, ( peças de baixa responsabilidade ).

O aço inoxidável é um aço de alta-liga com teores de cromo e de níquel em altas doses (que ultrapassam 20%.) os aços inoxidáveis podem ser divididos em três categorias principais : aços inoxidáveis austeníticos, os quais contém elevados teores de cromo e níquel, os aços inoxidáveis martensíticos, que contém elevado teor de cromo, com baixo teor de níquel e teor de carbono suficiente para se alcançar durezas médias ou altas no tratamento térmico de têmpera, e os aços inoxidáveis ferríticos, que contém elevado teor de cromo e baixos teores de níquel e carbono. Este último e o tipo austenítico não podem ser temperados.

O aço é actualmente a mais importante liga metálica, sendo empregue de forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em construção, etc. Entretanto, a sua utilização está condicionada a determinadas aplicações devido a vantagens técnicas que oferecem outros materiais como o alumínio no transporte por sua maior leveza e na construção por sua maior resistência a corrosão, o cimento (mesmo combinado com o aço) pela sua maior resistência ao fogo e a cerâmica em aplicações que necessitem de elevadas temperaturas.

Ainda assim, actualmente emprega-se o aço devido a sua nítida superioridade frente às demais ligas considerando-se o seu preço. Já que:

Existem numerosas jazidas de minerais de ferro suficientemente ricas, puras e fáceis de explorar, além da possibilidade de reciclar a sucata.

Os procedimentos de fabricação são relativamente simples e económicos, e são chamados de aciaria. Os aços podem ser fabricados por processo de aciaria eléctrica, onde se utiliza eléctrodos e processo de aciaria LD, onde se utiliza sopro de oxigénio no metal líquido por meio de uma lança.

Apresentam uma interessante combinação de propriedades mecânicas que podem ser modificados dentro de uma ampla faixa variando-se os componentes da liga e as suas quantidades, mediante a aplicação de tratamentos.

A sua plasticidade permite obter peças de formas geométricas complexas com relativa facilidade.

A experiência acumulada na sua utilização permite realizar previsões de seu comportamento, reduzindo custos de projectos e prazos de colocação no mercado.

Tal é a importância industrial deste material que a sua metalurgia recebe a denominação especial de siderurgia, e a sua influência no desenvolvimento humano foi tão importante

que uma parte da história da humanidade foi denominada Idade do ferro, que se iniciou em 3500 a.C., e que, de certa forma, ainda perdura.

Normas de aplicação NBR 5889 - Aço fundido e ferro fundido – Coleta de amostras – Método de

ensaio NRB 6152 – Matérias metálicos – Determinação das propriedades mecânicas a

tração – Método de ensaio NBR 6157 – Matérias metálicas – Determinação de resistência ao impacto em

corpo-de-prova entalhados simplesmente apoiados – Método de ensaio NBR 6215 – Produtos siderúrgicos – Terminologia NBR 6444 – Ensaio não destrutivo – Terminologia NBR 6645 – Peça bruta de aço fundido – Afastamento dimensionais –

Padronização NBR 8653 – Metalografla e tratamentos térmicos e termoquímicos das ligas

ferro carbono –terminologia

Propriedades

A propriedades médias de um aço com 0,2% de carbono em peso giram em torno de:

Densidade média': 7860 kg/m³ (ou 7,86 g/cm³) Coeficiente de expansão térmica: 11,7 10−6 (C°)−1 Condutividade térmica:52,9 W/m-K Calor específico : 486 J/kg-K Resistividade elétrica: 1,6 10−7Ω Módulo de elasticidade (Módulo de Young) Longitudinal: 210GPa Módulo de elasticidade (Módulo de Young) transversal:80 GPa Coeficiente de Poisson: 0,3 Limite de escoamento : 210 MPa Limite de resistência a tração: 380 MPa Alongamento: 25%

[2]

História

Trilhos de trem produzidos por laminação do aço

A fabricação de ferro teve início na Anatólia, cerca de 2000 a.C. tendo sido a Idade do Ferro plenamente estabelecida por volta de 1000 a.C.. Neste período a tecnologia da fabricação do ferro espalhou-se pelo mundo. Em, aproximadamente, 500 a.C., chegou às fronteiras orientais da Europa e por volta de 400 a.C. chegou à China. Os minérios de ferro eram encontrados em abundância na natureza, assim como o carvão. Actualmente a maior quantidade de matéria prima para produção de aço é a sucata proveniente dos resíduos de fabricação industrial.

A forma de produção era em pequenos fornos na forma de torrões ou pedaços sólidos, denominados tarugos. Estes, em seguida, eram forjados a quente na forma de barras de ferro trabalhando, possuindo maleabilidade, contendo, entretanto pedaços de escória e carvão. O teor de carbono dos primeiros aços fabricados variava de 0,07% até 0,8% sendo este último considerado um aço de verdade. Os egípcios por volta de 900 a.C. já dominavam processos relativos a tratamentos térmicos nos aços para fabricação de espadas e facas. Como quando o teor de carbono supera 0,3% o material torna-se muito duro e frágil caso seja temperado (resfriado bruscamente em água) de uma temperatura acima de 850 °C a 900 °C, eles utilizavam o tratamento denominado revenido que consiste em diminuir a fragilidade minimizando-a por reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350 °C e 500 °C.

Já os chineses produziam aços tratados termicamente por volta de 200 a.C. e os japoneses aprenderam a arte da produção de artefactos em metal dos chineses, embora tenham ajudado a espalhar o conhecimento da tecnologia da fabricação de aços, aumentando muito a produção de ferro trabalhado no mundo romano.

Com o declínio do Império Romano, a produção de aço ou ferro trabalhado se estabilizou na Europa até que, no começo do século XV, começou-se a utilizar quedas d'água para insuflar ar nos fornos de fusão. Em consequência a temperatura no interior dos fornos passou a ser maior de 1200 °C. Desta forma, ao invés de produzirem-se os torrões, passou-se a produzir um líquido rico em carbono: o ferro fundido. Para se obter o ferro trabalhado e reduzir o teor de carbono deste ferro fundido, o mesmo era

solidificado e em seguida fundido em atmosfera oxidante, utilizando carvão como combustível. Este processo retirava o carbono de ferro dando origem a um tarugo semi-sólido que após resfriamento era martelado até chegar na forma final.

Aço rápidov • e

Fases das ligas à base de ferro

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materias à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

Aço rápido, High Speed Steel (HSS), em inglês, Liga de aço composta por 0,67 a 1,3% C, 5 a 12% Co, 3,75 a 4,5% Cr , 0,3% Mn, 4 a 9% Mo , 2 a 20% W, 1 a 5% V e apropriado tratamento térmico.[1]

Para aumentar a vida útil do aço rápido, as ferramentas são as vezes revestidas por uma camada de outro metal. Um exemplo é o TiN (Nitreto de Titânio). A maioria dos revestimentos geralmente aumenta a dureza torna a ferramenta mais lisa. O revestimento permite a ponta da ferramenta cortar facilmente o material sem que partes deste fiquem incrustadas (presas) à ferramenta. O revestimento também ajuda a diminuir a temperatura associada ao processo de corte e aumenta a vida da ferramenta.

O uso principal do aço rápido continua a ser na fabricação de várias ferramentas de corte: brocas, fresas, serras, bits de usinagem, discos para cortar engrenagens, plainas, etc, embora também seja usado em prensas ultimamente.

Aços de alto teor de carbono continuam sendo uma boa escolha para uso em baixas velocidades onde uma boa precisão é necessária, como em plainas manuais, entalhadeiras, formões etc.

Composição química

Quando um aço ferramenta contem um combinação com mais de 7 % tungstênio, molibidenio e vanádio, com mais de 0.60% carbono, ele é chamado Aço Rápido. Esse termo, que descreve sua habilidade de cortar metais "rápido", é usado desde 1940 quando a ferramenta de aço predominante era a de alto teor de carbono, que não era capaz de cortar em altas velocidades.

O tipo principal T-15 com 18% de tungstênio não mudou sua composição desde 1910 e era o tipo mais usado até 1940, quando foi substituído pelo molibdênio(M-2). Hoje em dia, apenas 5-12% do aço rápido usado na Europa é desse tipo e apenas 2% nos EUA.

A adição de 10% de tungstênio e molibdênio no total maximiza a dureza efetiva e a resistência do aço rápido e mantém essas propriedades sob altas temperaturas geradas quando se corta metal.

História

O primeiro grande impulso causado nos materiais de ferramentas aconteceu na virada do século XIX, quando desenvolveram o primeiro, Aço rápido (HSS).

Em meados de 1899, Frederick Taylor e Maunsel White, trabalhando na Bethlehem Steel, Pennsylvania, EUA, fizeram extensivos testes com os melhores aços ferramenta, aquecendos a temperaturas muito mais altas do que as utilizadas na industria. [2] Taylor elaborou estudos para determinação das velocidades e profundidades de corte da usinagem de metais.[1]

O aço rápido revolucionou a prática de usinagem naquela época, dando um grande aumento na produtividade. As velocidades de corte puderam ser aumentadas em uma ordem de grandeza: de 3 a 5 m/min com ferramentas de aço carbono para 30 a 35 m/min com os aços rápidos. Exatamente por isso, estes aços levaram este nome.

Aço corten

Esculptura de aço corten de Richard Serra, em Londres.

Aço Patinável, também conhecido por pelas marcas Corten, Cor-Ten, Cosacor ou Niocor é um tipo de aço que em sua composição contem elementos que melhoram suas propriedades anticorrosivas. Este tipo de aço é muito utilizado na construção civil, apresenta em média 3 vezes mais resistência à corrosão que o aço comum.

Uma de suas principais características é a camada de óxido de cor avermelhada que se forma quando ocorre a exposição do aço aos agentes corrosivos do ambiente.

Aplicável também na fabricação de esculturas e objetos decorativos.

Alguns exemplos podem ser vistos no website: www.acocorten.com.br[1]

Aço inoxidável

Peças de aço inoxidável.

v • e

Fases das ligas à base de ferro

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)

Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materias à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

O aço inoxidável é uma liga de ferro e crómio, podendo conter também níquel, molibdénio e outros elementos, que apresenta propriedades físico-químicas superiores aos aços comuns, sendo a alta resistência à oxidação atmosférica a sua principal característica. As principais famílias de aços inoxidáveis, classificados segundo a sua microestrutura, são: ferríticos, austeníticos, martensíticos, endurecíveis por precipitação e Duplex.

Estes elementos de liga, em particular o crómio, conferem uma excelente resistência à corrosão quando comparados com os aços carbono. Eles são, na realidade, aços oxidáveis. Isto é, o crómio presente na liga oxida-se em contacto com o oxigénio do ar, formando uma película, muito fina e estável, de óxido de crómio - Cr2O3 - que se forma na superfície exposta ao meio. Ela é denominada camada passiva e tem como função proteger a superfície do aço contra processos corrosivos. Para isto é necessário uma quantidade mínima de crómio de cerca de 11% em massa. Esta película é aderente e impermeável, isolando o metal abaixo dela do meio agressivo. Assim, deve-se ter cuidado para não reduzir localmente o teor de cromio dos aços inoxidáveis durante o processamento. Este processo é conhecido em metalurgia como passivação. Por ser muito fina — cerca de 100 angstrons — a película tem pouca interacção com a luz e permite que o material continue a apresentar o seu brilho característico.

História

O aço inoxidável foi descoberto por Harry Brearley (1871-1948), que começou a trabalhar como operário numa produtora de aço com a idade de 12 anos, na sua terra natal, Sheffield (Inglaterra).

Em 1912, Harry começou a investigar, a pedido dos fabricantes de armas, uma liga metálica que apresentasse uma resistência maior ao desgaste que ocorria no interior dos canos das armas de fogo como resultado do calor liberado pelos gases.

De início a sua pesquisa consistia em investigar uma liga que apresentasse uma maior resistência a corrosão. Porém, ao realizar o ataque químico para revelar a microestrutura desses novos aços com altos teores de crómo que estava a pesquisar, Brearley notou que o ácido nítrico - um reactivo comum para os aços - não surtia efeito algum.

Brearley não obteve uma liga metálica que resistia ao desgaste, obteve porém uma liga metálica resistente a corrosão. A aplicação imediata foi destinado para a fabricação de talheres, que até então eram fabricados a partir de aço carbono e se corroíam com facilidade devido aos ácidos presentes nos alimentos.

Aplicações

Uma das aplicações é a implementação de placas.

Os aços inoxidáveis são utilizados principalmente para cinco tipos de mercados:

Electrodomésticos : Grandes electrodomésticos e pequenos utensílios domésticos.

Automotores : produção de peças para veículos automotores como, por exemplo, canos de descarga.

Construção: edifícios e mobiliários, Industria: alimentação, produtos químicos e petróleo. Setor de Serviços: fachadas e placas de sinalização visual.

A sua resistência à corrosão, as suas propriedades higiénicas e estéticas fazem do aço inoxidável um material muito atractivo para satisfazer diversos tipos de demandas. Os produtos de limpeza indicados para a limpeza do Aço Inox são: o sabão, os detergentes suaves e/ou neutros e as soluções de amónia (removedores caseiros) em água morna. Aplique com um pano macio ou uma esponja de nylon fino, enxague em água abundante e seque com pano macio.

Tipos de Aço Inoxidável

Como mencionado anteriormente, podemos classificar o aço inox nos grupos: ferríticos, austeníticos, martensíticos, endurecíveis por precipitação e Duplex.

As diversas microestruturas dos aços são função da quantidade dos elementos de liga presentes. Existem basicamente dois grupos de elementos de liga: os que estabilizam a ferrita (Cr, Si, Mo, Ti e Nb); e os que estabilizam a austenita (Ni, C, N e Mn).

A composição química junto com o processamento termo-mecânico, confere aos aços inoxidáveis propriedades diferentes. Assim, cada grupo de aço inox tem uma aplicação. Abaixo, temos algumas aplicações dos aços inoxidáveis.

Austenítico (resistente à corrosão) o equipamentos para indústria química e petroquímica o equipamentos para indústria alimentícia e farmacêutica

o construção civil o baixelas e utensílios domésticos.

Ferrítico (resistente à corrosão, mais barato por não conter níquel) o electrodomésticos (fogões, geladeiras, etc) o balcões frigoríficos o moedas o indústria automobilística o talheres o sinalização visual - Placas de sinalização e fachadas

Martensítico (dureza elevada) o cutelaria o instrumentos cirúrgicos como bisturi e pinças o facas de corte o discos de freio especiais

Propriedades Alta resistência à corrosão Resistência mecânica adequada Facilidade de limpeza/Baixa rugosidade superficial Aparência higiénica Material inerte Facilidade de conformação Facilidade de união Resistência a altas temperaturas Resistência a temperaturas criogénicas (abaixo de 0 °C) Resistência às variações bruscas de temperatura Acabamentos superficiais e formas variadas Forte apelo visual (modernidade, leveza e prestígio) Relação custo/benefício favorável Baixo custo de manutenção Material reciclável De boa fabricação

LIGAS METALICAS

EstanhoO estanho é um elemento químico de símbolo Sn, número atômico 50 (50 prótons e 50 elétrons) e com massa atómica de 118,7 u. Está situado no grupo 14 ou 4A da classificação periódica dos elementos. É um metal prateado, maleável que é sólido nas condições ambientais. Não se oxida facilmente com o ar e é resistente a corrosão.

É usado para produzir diversas ligas metálicas utilizados para recobrir outros metais para protegê-los da corrosão. O estanho é obtido principalmente do mineral cassiterita onde apresenta-se como um óxido.

É um dos metais mais antigos conhecido, e foi usado como um dos componentes do bronze desde a antiguidade.

Indio - Estanho - Antimônio

GeSnPb    

Tabela Periódica

Geral

Nome, símbolo, número

Estanho, Sn, 50

Classe , série química

Metal , carbono

Grupo, periodo, bloco

14, 5 , p

Densidade, dureza 7310 kg/m 3 , 1,5

Cor e aparência

Cinza prateado brilhante

Propriedades atômicas

Massa atómica 118,710(7) u

Raio médio† 145 pm

Raio atómico calculado

145 pm

Raio covalente 141 pm

Raio de van der Waals

217 pm

Configuração electrónica

[Kr]4d10 5s2 5p2

Estados de oxidação (Óxido)

4,2 (anfótero)

Estrutura cristalina Tetraédrica

Propriedades físicas

Estado da matéria Sólido

Ponto de fusão 505,08 K (231,93 °C)

Ponto de ebulição 2875 K (2602 °C)

Entalpia de vaporização

295,8 kJ/mol

Entalpía de fusão 7,029 kJ/mol

Pressão de vapor 5,78 x 10-21 Pa a 505 K

Velocidade do som 2500 m/s a 293,15 K

Informações diversas

Características principais

O estanho é um metal branco prateado, maleável, pouco dúctil, de baixo ponto de fusão e altamente cristalino. Quando uma barra de estanho é quebrada produz um ruído denominado “grito de lata” (“grito de estanho”) causada pelos cristais quando são rompidos. Este metal resiste à corrosão quando exposto à água do mar e água potável, porém pode ser atacado por ácidos fortes, bases e sais ácidos. O estanho age como um catalisador quando o oxigênio se encontra dissolvido, acelerando o ataque químico.

O estanho, quando aquecido na presenca do ar acima de 1500 °C retorna à condição de óxido estânico. O estanho é atacado pelos ácidos sulfúrico, nítrico e clorídrico concentrados, e com bases produz estanatos. O estanho facilmente pode ser lustrado e é usado como revestimento de outros metais para impedir a corrosão ou a outra ação química. Este metal combina-se diretamente com cloro e oxigênio, e desloca o hidrogênio dos ácidos. O estanho é maleável em baixas temperaturas porém é frágil quando aquecido.

Alótropos

O estanho sólido tem dois alótropos nas CNTP. Em baixas temperaturas, existe na forma “cinzenta” ou estanho alfa que apresenta estrutura cristalina cúbica, semelhante ao silício e germânio. Quando aquecido acima de 13,2 °C muda para a forma “branca” ou estanho beta, com estrutura cristalina tetragonal. A transformação da forma beta a alfa, por resfriamento, só pode ser efetuada quando o estanho apresenta elevado grau de pureza. Esta transformação é afetada por impurezas como alumínio e zinco, e pode ser impedida de ocorrer por meio da adição de antimônio, bismuto, chumbo, ouro ou prata.

Aplicações

O estanho liga-se prontamente com o ferro, e foi muito usado na indústria automotiva para revestimento e acabamento da lataria. O estanho que faz uma ótima liga com chumbo é usado como revestimento misturado ao zinco no aço para impedir a corrosão e evitar a eletrólise. O estanho também é muito usado em telhas, correntes e âncoras. Os recipientes de aço blindados com estanho (folhas de flandres) são usados extensivamente para a conservação de alimentos, e desta forma é um grande mercado para o estanho metálico. Os ingleses os denominam de "tins" e os norte-americanos de “cans”.

Outros usos:

Algumas ligas importantes de estanho são: bronze, metal de sino , metal Babbitt, liga de carcaça, pelter, bronze fosforoso, solda macia, e metal branco.

O sal mais importante é o cloreto de estanho que é usado como agente redutor e como mordente no processo de fixação de tintas no tecido morin produzindo um tecido estampado denominado chita. O cloreto também é adicionado a sabões, sabonetes e perfumes para manter a cor e perfume destes produtos. Revestimentos de sais de estanho pulverizados sobre vidro conduzem eletricidade. Estes revestimentos foram usados em painéis luminosos e em para-brisas para liberá-las de água ou gelo.

O vidro de janelas frequentemente é produzido por meio da flutuação de vidro derretido sobre o estanho derretido (vidro de flutuador) para tornar sua superfície plana, método denominado “processo Pilkington”.

O estanho também é usado para soldar juntas de tubulações ou de circuitos elétricos e eletrônicos. Na forma de ligas é usado para a fabricação de molas, fusíveis, tubos e peças de fundição como mancais e bronzinas.

Sais de estanho são usados em espelhos e na produção de papel, remédios e fungicidas.

Devido à grande maleabilidade do estanho, é possível produzir lâminas muito finas utilizadas para acondicionar vários produtos como, por exemplo, maços de cigarros e barras de chocolate.

O estanho transforma-se num supercondutor abaixo de 3,72 K e foi um dos primeiros supercondutores a ser estudado; o efeito Meissner, uma das características dos supercondutores, foi descoberto inicialmente em cristais supercondutores de estanho. O composto nióbio-estanho Nb3Sn é comercialmente usado para produzir fios de imãs supercondutores, devido à sua alta temperatura crítica (18 K) e campo magnético crítico (25 T). Os eletroímãs supercondutores que pesam alguns quilogramas são capazes de produzir campos magnéticos comparáveis a toneladas de eletroimãs convencionais.

História

O estanho (do latim stagnun vulgarizado para stannun na Idade Média) é um dos metais mais antigos conhecido, e foi usado como um dos componentes do bronze desde a antiguidade. Devido a sua capacidade de endurecer o cobre, a liga de estanho-cobre (bronze) foi utilizado para produzir armas e utensílios desde 3500 a.C. Acredita-se que a mineração do estanho tenha se iniciado na Cornualha e Devon (Indústria de mineração de estanho de Dartmoor), Inglaterra, em épocas clássicas, desenvolvendo um próspero comércio de estanho com as civilizações do mediterrâneo. Entretanto, o metal puro não foi usado até aproximadamente 600 a.C..

Ocorrência

Minério de estanho

Aproximadamente 35 paises no mundo mineram o estanho . Quase todo continente apresenta uma mina importante deste metal. O estanho é produzido pela redução do minério com carvão em alto forno e depois refinado em fornos revérboro:

SnO2 + 2 C ===> Sn + 2 CO

O estanho é um elemento relativamente escasso, com uma abundância na crosta terrestre de aproximadamente 2 ppm (m/m), comparado com os 94 ppm (m/m) para o zinco, 63 ppm (m/m) para o cobre, e 12 ppm (m/m) para o chumbo. A maioria do estanho do mundo é produzida a partir de depósitos placer; pelo menos a metade vem do Sudeste Asiático: Malásia, Indonésia e Tailândia. Na América do Sul o principal produtor é a Bolívia. O único mineral de importância comercial como uma fonte de estanho é a cassiterita (SnO2), embora pequenas quantidades de estanho são recuperados de sulfetos complexos como estanita, cilindrita, lindrita, franckeita , canfieldita, e teallita. A sucata também é uma fonte importante de estanho..

Isótopos

O estanho é o elemento com o maior número de isótopos estáveis (10). São conhecidos, também, 18 isótopos instáveis. Os principais isótopos instáveis com as suas respectivas meias-vida são: Sn-113 (155,1 dias), Sn-117m (13,6 dias), Sn-119m (293,0 dias), Sn-121 (1,12 dias), Sn-121m (55,0 anos), Sn-123 (129,2 dias), Sn-123m (40,1 minutos), Sn-125 (9,63 dias), Sn-125m (9,5 minutos) e Sn-126 (100.000,0 anos).

Precauções

Pequenas quantidade de estanho encontradas em alimentos enlatados não são prejudiciais a seres humanos. Os compostos trialquil triaril de estanho são biocidas e devem ser manuseados com cuidado.

Devido a seu baixo ponto de fusão (232 °C ), o estanho não deve ser usado como elemento de fixação nas conexões de tubulações de cobre utilizadas na distribuição de gás GLP, pelo que, em caso de incêndio, pode ocasionar vazamentos seguidos de explosões.

Bronze

Fragmento de escultura em bronze de Marcus Aurelius.

Bronze - (do persa biring, cobre) é o nome com o qual se denomina toda uma série de ligas metálicas que tem como base o cobre e o estanho e proporções variáveis de outros elementos como zinco, alumínio, antimônio, níquel, fósforo, chumbo entre outros com o objetivo de obter características superiores a do cobre. O estanho tem a característica de aumentar a resistência mecânica e a dureza do cobre sem alterar a sua ductibilidade.

O processo de fabricação consiste em misturar um mineral de cobre (calcopirita, malaquita ou outro) com o estanho (cassiterita) em um alto-forno alimentado com carbono (carvão vegetal ou coque). O anidrido carbônico reduz os minerais a metais, o cobre e estanho se fundem e se ligam a percentual de estanho de 2 a 11%

História

De bronze foram as primeiras armas e ferramentas metálicas, também utilizado para a produção de estátuas. Material que, polido, chega ao amarelo ouro, é o mais usado no campo da escultura. Sua grande popularidade se deve à sua enorme resistência estrutural, à não corrosão atmosférica, à facilidade de fundição e uma capacidade de acabamento que permite excelente polimento ou o uso de diversas cores e tipos.

O bronze possui características acústicas e de geração de ondas sinusoidais bastante puras e apresentando um timbre bem distinto, tornando-se assim um metal excelente para a fabricação de instrumentos musicais de percussão como é o caso dos sinos e sinetas ou secções de instrumentos de sopro, onde o som é originado, como são os bocais para saxofones, trompetes e trombones, entre outros.

LatãoO latão é uma liga metálica de cobre e zinco com percentagens deste último entre 3% e 45%. Ocasionalmente se adicionam pequenas quantidades de outros elementos como (Al, Sn, Pb ou As) para potenciar algumas das características da liga.

As aplicações do latão abrangem os campos mais diversos, desde armamento, passando pela ornamentação, até tubos de condensador e terminais eléctricos. São utilizados na fabricação de objetos de uso doméstico, como tachos e bacias, de instrumentos musicais de sopro e de jóias.

CobreO COBRE encontra-se no estado sólido.

Classificado como metal de transição, pertence ao grupo 11 (1B) da Classificação Periódica dos Elementos. É um dos metais mais importantes industrialmente, de coloração avermelhada, dúctil, maleável e bom condutor de eletricidade.

Conhecido desde a antiguidade, o cobre é utilizado atualmente, para a produção de materiais condutores de eletricidade (fios e cabos ), e em ligas metálicas como latão e bronze.

Características principais

Cobre

O cobre é um metal de transição avermelhado, que apresenta alta condutibilidade elétrica e térmica, só superada pela da prata.

É possível que o cobre tenha sido o metal mais antigo a ser utilizado, pois se têm encontrado objetos de cobre de 8700 a.C. Pode ser encontrado em diversos minerais e pode ser encontrado nativo, na forma metálica, em alguns lugares.

A condutividade elétrica do cobre merece especial menção por ter sido adotada pela Comissão Eletrotécnica Internacional em 1913 como base da norma IACS.

Na maioria de seus compostos apresenta estados de oxidação baixos, sendo o mais comum o +2 , ainda que existam alguns com estado de oxidação +1. Exposto ao ar, a coloração vermelho salmão inicial torna-se vermelho violeta devido à formação do óxido cuproso ( Cu2O ) para enegrecer-se posteriormente devido à formação do óxido cúprico ( CuO ). Exposto longamente ao ar úmido forma uma capa aderente e impermeável de carbonato básico de coloração verde, característica de seus sais, que é venenosa. Quando se utilizam caçarolas de cobre para a cocção de alimentos não são infrequentes as intoxicações, devido à ação dos ácidos da comida que originam óxidos, contaminando os alimentos.

Os halogênios atacam com facilidade o cobre, especialmente em presença de umidade; no seco o cloro e o bromo não produzem efeito e o flúor só o ataca a temperaturas superiores a 500 °C. Os oxiácidos atacam o cobre.

Conhecido desde a antiguidade é utilizado, actualmente, para a produção de materiais condutores de eletricidade (fios e cabos), e em ligas metálicas como latão e bronze. Com o enxofre forma um sulfeto (CuS) de coloração branca.

Entre as suas propriedades mecânicas destacam-se sua excepcional capacidade de deformação e ductibilidade. Em geral, suas propriedades melhoram em baixas temperaturas, o que permite utilizá-lo em aplicações criogênicas.

Aplicações

A aplicação por excelência do cobre (Cu) é como material condutor (fios e cabos), destino de aproximadamente 45% do consumo anual de cobre. Outros usos são:

Tubos de condensadores e encanamentos. Eletroimãs. Motores elétricos. Interruptores e relés, tubos de vácuo e magnetrons de fornos microondas. Se tende ao uso do cobre em circuitos integrados em substituição do alumínio,

de menor condutividade. Cunhagem de moedas (com o níquel industrial), sendo empregado na

agricultura, na purificação da água e como conservante da madeira. Quando associado a outros metais, os óxidos de cobre formam materiais

supercondutores.

História

O cobre nativo, o primeiro metal usado pelo homem, era conhecido por algumas das mais antigas civilizações que se tem notícia e tem sido utilizado pelo menos há 10.000 anos - onde atualmente é o norte do Iraque foi encontrado um colar de cobre de 8700 a.C.; porém o descobrimento acidental do metal pode ter ocorrido vários milênios antes. Em 5000 a.C. já se realizava a fusão e refinação do cobre a partir de óxidos como a malaquita e azurita. Os primeiros indícios de utilização do ouro não foram vislumbrados até 4000 a.C. Descobriram-se moedas, armas, utensílios domésticos sumérios de cobre e bronze de 3000 a.C., assim como egípcios da mesma época, inclusive tubos de cobre. Os egípcios também descobriram que a adição de pequenas quantidades de estanho facilitava a fusão do metal e aperfeiçoaram os métodos de obtenção do bronze; ao

observarem a durabilidade do material representaram o cobre com o Ankh, símbolo da vida eterna.

Na antiga China se conhece o uso do cobre desde, ao menos, 2000 anos antes de nossa era, e em 1200 a.C. já fabricavam-se bronzes de excelente qualidade estabelecendo um manifesto domínio na metalurgia sem comparação com a do Ocidente. Na Europa o homem de gelo encontrado no Tirol (Itália) em 1991, cujos restos têm uma idade de 5300 anos, estava acompanhado de um machado com uma pureza de 99,7%, e os elevados índices de arsênico encontrados em seu cabelo levam a supor que fundiu o metal para a fabricação da ferramenta. Os fenícios importaram o cobre da Grécia, não tardando em explorar as minas do seu território, como atestam os nomes das cidades Calce, Calcis e Calcitis (de χαλκος, bronze), ainda que tenha sido Chipre, a meio caminho entre Grécia e Egito, por muito tempo o país do cobre por excelência, ao ponto de os romanos chamarem o metal de aes cyprium ou simplesmente cyprium e cuprum, donde provém o seu nome. Além disso, o cobre foi representado com o mesmo signo que Vênus (a afrodite grega), pois Chipre estava consagrada a deusa da beleza e os espelhos eram fabricados com este metal. O símbolo, espelho de Vênus da mitologia e da alquimia, modificação do egípcio Ankh , foi posteriormente adotado por Carl Linné para simbolizar o gênero feminino(♀).

O uso do bronze predominou de tal maneira durante um período da história da humanidade que terminou denominando-se «Era do Bronze». O período de transição entre o neolítico (final da Idade da Pedra) e a Idade do Bronze foi denominado período calcolítico (do grego Chalcos), limite que marca a passagem da pré-história para a história.

ABundância e obtenção

Mina de cobre a céu aberto em Bingham, Utah.

Apesar de ser um dos metais menos abundantes da crosta terrestre - 0,12% do mais abundante, o alumínio - é de fácil obtenção apesar de laboriosa, devido a pobreza do metal nos minerais; se considera econômicamente viável extraí-lo de um mineral com quantidades superiores a 0,5% de cobre e muito rentável a partir de 2,5%.

O cobre nativo só acompanha seus minerais em bolsas que afloram na superfície podendo-se explorá-lo a céu aberto. Ainda que não tenham muita importância como minas, tem-se encontrado exemplares notáveis como pedras de cobre de 400 toneladas

em Michigan (EUA). Geralmente na capa superficial são encontrados minerais oxidados (cuprita) junto ao cobre nativo em pequenas quantidades, o que explica a sua utilização milenar já que o metal podia facilmente ser extraido em fornos de fossa. Na continuação, por debaixo do nível freático, são encontradas as piritas (sulfetos) primárias, calcosina (S2Cu) e covelina (SCu) e, finalmente, as secundárias calcopiritas (S2FeCu) cuja exploração é mais rentável que as anteriores. Acompanhando estes minerais se encontram outros como a bornita (Cu5FeS4), os cobres cinzas, os carbonatos azurita e malaquita que formam massas importantes nas minas de cobre por serem as formas normalmente derivadas dos sulfetos.

Para os recursos mundiais de cobre estima-se que ultrapasse os 1.600 milhões de toneladas na crosta terrestre e a 700 milhões de toneladas nos leitos marítimos. As reservas comprovadas, segundo dados da agência estadounidense de prospecções geológicas (US Geological Survey) é de 940 milhões de toneladas, 40% delas no Chile, o principal minerador de cobre com cerca de 5 milhões de toneladas anuais (aproximadamente 36% da produção mundial).

A produção do cobre começa com a extração do mineral. Esta pode ser realizada a céu aberto (a exploração mais comum), em galerias subterrêneas ou in situ; este último procedimento, minoritário, consiste em filtrar ácido sulfúrico na mina de cobre bombeando, posteriormente, para a superfície as soluções ácidas ricas em cobre. O mineral extraido por métodos mecânicos , óxidos e sulfetos, é triturado obtendo-se um pó que contém usualmente menos de 1% de cobre. Este deverá ser enriquecido ou concentrado obtendo-se uma pasta com aproximadamente 15% de cobre que, posteriormente, é secado. A partir deste ponto pode-se utilizar outros métodos.

O mineral é transladado a um tanque de lixiviado no qual se filtra ácido sulfúrico diluido obtendo-se uma solução fraca de sulfato de cobre, do qual se obtém o cobre catodo, por eletrólise, procedimento denominado SX/EW (Solution Extraction/Electrowinning). Com o mineral enriquecido se prepara um misto, adicionado os fundentes necessários de base sílica para sulfetos e sulfetos para óxidos, que fundido produz o cobre blister. Este é refinado através de procedimentos térmicos obtendo-se anodos de cobre que, por sua vez, se refinam por eletrólise usando-os junto a lâminas mãe de cobre como catodo em meio ácido. Do lodo (subproduto da eletrólise) retira-se o ouro, a prata e a platina.

Disco de cobre obtido por lingotamento contínuo (pureza: 99,95%, diâmetro: 83 mm), e polido por tratamento químico.

Os tipos de cobre usualmente obtidos são os seguintes:

Cobre tenaz (Tough-Pitch, TP): com conteudo de oxigênio controlado, destinado para aplicações elétricas já que é um cobre de alta condutibilidade (>100% IACS).

Cobre desoxidado (Desoxided Phospor, DP): normalmente não são de alta condutibilidade, por isso empregado onde a propriedade elétrica não é importante como em caldeiras.

Cobre isento de oxigênio (Oxigen Free, OF): é o de maior qualidade, é o mais caro e o menos utilizado. É de alta condutibilidade elétrica.

O cobre catodo obtido mediante um ou outro método tem uma pureza entre 99,9% e 99,99% e é empregado para a fabricação de diferentes tipos de cobre comercial:

Lingotes (wire-bar) de secção trapezoidal para laminação e trefilado. Placas para laminação de chapas ou fitas. barras de secção circular para laminação ou fiação.

Isótopos

Na natureza são encontrados dois isótopos estáveis: Cu-63 e Cu-65, sendo o mais leve o mais abundante ( 69,17% ). Se tem caracterizado 25 isótopos radioativos, sendo os mais estáveis o Cu-67, Cu-64 e Cu-61 com vidas médias de 61,83 horas, 12,7 horas e 3,333 horas respectivamente. Os demais radioisótopos, com massas atômicas desde 54,966 (Cu-55) a 78,955 (Cu-79), têm vidas médias inferiores a 23,7 minutos, e a maioria não alcançam os 30 segundos. O cobre apresenta, ainda, 2 estados metaestáveis.

Os isótopos mais leves que o Cu-63 estável se desintegram principalmente por captura eletrônica originando isótopos de níquel, os mais pesados que o isótopo Cu-65 estável se desintegram por emissão beta dando lugar a isótopos de zinco. O isótopo Cu-64 se desintegra dos dois modos, por captura eletrônica ( 69% ) e os demais por desintegração beta.

Ligas metálicas

Os cobres débilmente ligados são aqueles que contém uma porcentagem inferior a 3 de algum elemento adicionado para melhorar alguma das características do cobre como a maquinabilidade ( facilidade de mecanização ) , resistência mecânica e outras, conservando a alta condutibilidade elétrica e térmica do cobre. Os elementos utilizados são estanho, cádmio, ferro, telúrio, zircônio, crômio e berílio. Outras ligas de cobre importantes são latões (zinco), bronzes (estanho), cuproalumínios (alumínio), cuproníqueis ( níquel ), cuprosilícios (silício) e alpacas (níquel-zinco).

Precauções

Contaminação de água por cobre

Todos os compostos de cobre deveriam ser tratados como se fossem tóxicos, uma quantidade de 30 g de sulfato de cobre é potencialmente letal em humanos.

O metal em pó é combustível, inalado pode provocar tosse, dor de cabeça e dor de garganta, recomenda-se evitar a exposição laboral e a utilização de protetores como óculos, luvas e máscaras. O valores limites ambientais são de 0,2 mg/m³ para vapor de cobre e 1 mg/m³ para o pó e névoas. Reage com oxidantes fortes tais como cloratos, bromatos e iodatos, originando o perigo de explosões.

A água com conteudo superiores a 1 mg/l pode contaminar com cobre as roupas e objetos lavados com ela, e conteúdos acima de 5 mg/L tornam a água colorida com sabor desagradável. A Organização Mundial da Saúde ( OMS ) no Guia para a qualidade da água potável recomenda um nível máximo de 2 mg/L , mesmo valor adotado na União Européia. Nos Estados Unidos a Agência de Proteção Ambiental tem estabelecido um limíte de 1,3 mg/L.

As atividades mineiras podem provocar a contaminação de rios e águas subterrâneas com cobre e outros metais tanto durante a exploração como uma vez abandonada. O derramento mostrado na foto provem de uma mina abandonada em Idaho. A coloração turqueza da água e rochas se deve a presença de precipitados de cobre.

Referencias Técnicas:

1. ↑ PREDEL, Bruno. Phase Diagrams and Heterogeneous Equilibria : A Practical Introduction. [S.l.]: Springer.

2. ↑ P. Papon, J. Leblond, and P.H.E. Meijer, The Physics of Phase Transition - Concepts and Applications Springer 1999.

3. ↑ The International Association for the Properties of Water and Steam "Guideline on the Use of Fundamental Physical Constants and Basic Constants of Water", 2001, p. 5

4. ↑ Chemistry: The Study of Matter, Forth Edition. [S.l.]: Prentice Hall. 266–273 p.

5. ↑ Heat and Thermodynamics, Mark W. Zemansky, Richard H. Dittman, McGraw-Hill, 6th ed., 1981, Figures 2-3, 2-4, 2-5, 10-10, P10-1, ISBN 0-07-072808-9.

6. ↑ Web applet: 3D Model: Water Phase Diagram.7. ↑ Web applet: 3D Phase Diagrams for Water, Carbon Dioxide and Ammonia.

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Ligações externas Iron-Iron Carbide Phase Diagram Example (exemplo de diagrama de fase ferro-

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Referencias Bicliograficas:

1. ↑ VICENTE CHAVERINI, "Aços e Ferros Fundidos", Caracteristicas gerais, tratamentos termicos e principais tipos, 4 Edição São Paulo, Associação Brasileira de Metais 1977

2. ↑ WILLIAM D. CALLISTER, JR., Ciência e Engenharia de Materiais, Uma Introdução, Quinta Edição 2002, Editora LT

3. SOARES, Joaquim Pinto, Aços características tratamentos, 5ª ed., Porto, Publindustria, 1992

Nota Importante:

Estas informações servem diretamente ao discente do curso de engenharia industrial ter informações que agregam conhecimentos tecnicos básicos e orientativos de forma sistemica e filosofica em relação aos tratamentos termicos dos aços que seus futuros desenvovolvimento de produtos poderão sofrer. no seu contexto geral.

Atenciosamente,

Prof. Claudio Antonio Garcia

Processos de Fabricação 2

UNIABC – SANTO ANDRÉ