tecnologia dos materiais

FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA Centro de Ensino Técnico e Profissionalizante

Quintino

ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL REPÚBLICA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA

Tecnologia dos Materiais I

Prof.: Antonio José R S Cruz e Hélio França Jr.

Sumario

1 INTRODUCAO 11.1 PERSPECTIVA HISTORICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 CIENCIA DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 52.1 PROPRIEDADES MECANICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 PROPRIEDADES TECNOLOGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 PROPRIEDADES TERMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 PROPRIEDADES ELETRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.6 PROPRIEDADES FISICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.7 PROPRIEDADES QUIMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.8 PROPRIEDADES OPTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS 113.1 ESTRUTURA CRISTALINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 SISTEMAS CRISTALINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS . . . . . . . . . . . . 123.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 MATERIAIS METALICOS 154.1 METAIS FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.1.1 USINAS INTEGRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.1.1.1 MATERIA-PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.1.1.1.1 Minerio de ferro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.1.1.2 Operacoes siderurgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1.2 USINAS MINI-MILLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1.2.1 MATERIA-PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1.2.2 OPERACOES SIDERURGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1.3 PRODUTOS SIDERURGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.1.3.1 ACOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.1.3.2 FERROS FUNDIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2 METAIS NAO-FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.2.1 ALUMINIO E SUA LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.2.2 COBRE E SUA LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2.3 NIQUEL E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2.4 MAGNESIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2.5 CHUMBO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

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4.2.6 TITANIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2.7 ZINCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2.8 ESTANHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 MATERIAIS POLIMERICOS 505.1 PLASTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.2 ELASTOMEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6 MATERIAIS CERAMICOS 57

7 MATERIAIS COMPOSITOS 58

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Capıtulo 1

INTRODUCAO

1.1 PERSPECTIVA HISTORICA

Os materiais estao tao profundamente enraizados em nossa cultura que a maioria de nos nempercebe sua presenca. Nos transportes, nas casas, nas roupas, nos meios de comunicacao, narecreacao, e ate na producao de alimentos - inevitavelmente todos segmentos de nossas vidas saoinfluenciados de uma maneira ou de outra pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento eo avanco das sociedades tem sido intimamente ligado a habilidade dos membros para produzire manipular os materiais para satisfazer suas necessidades. De fato, as primeiras civilizacoesforam designadas pelo nıvel do desenvolvimento de seus materiais (isto e, Idade da Pedra, Idadedo Bronze, etc.).No inıcio da civilizacao, os homens tinham acesso a um numero muito limitado de materiais,todos retirados diretamente da natureza. Descobriram tecnicas para producao de materiaiscom propriedades superiores aos naturais, alterando-as atraves de tratamentos termicos ou pelaadicao de outras substancias. Nesses novos materiais incluem-se a ceramica e varios metais.Neste ponto, os materiais eram escolhidos atraves de um processo de selecao, ou seja, eramselecionados dentre um numero restrito de materiais, os que possuıam as melhores propriedadespara determinada aplicacao. Somente em tempos recentes os cientistas vieram a entender asrelacoes entre as estruturas dos materiais e suas propriedades. Esse conhecimento, adquirido nosultimos 60 anos, nos permitiu dar um grande passo no entendimento das suas caracterısticas.Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes evoluıram com caracterısticas bastante es-pecıficas que satisfazem as necessidades de nossa sociedade moderna e complexa, tais como,metais, plasticos, vidros, etc.O desenvolvimento de tecnologias que propiciam maior conforto estao intimamente associadas aoacesso a materiais adequados. Um avanco na compreensao de um tipo de material e muitas vezeso precursor de um grande desenvolvimento tecnologico. Por exemplo, os automoveis nao teriamsido possıveis sem a disponibilidade de aco barato ou algum outro substituto adequado. Emnossos dias, sofisticados equipamentos eletronicos utilizam componentes fabricados com certosmateriais chamados semicondutores, surgidos apos a IIa Guerra Mundial.

1.2 IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS

Todo projetista, seja ele cientista, engenheiro ou mesmo designer , estara exposto a problemas deprojeto que envolvem materiais. Como exemplo, podemos mencionar uma engrenagem de trans-missao, a superestrutura dos arranha-ceus, um componente de uma refinaria de petroleo, ou umcircuito integrado de um ”chip”. E os cientistas e engenheiros de materiais sao os profissionaisque estao totalmente envolvidos na investigacao e desenvolvimento dos materiais utilizados emtodos esses projetos. Muitas vezes, o problema relacionado com materiais e selecionar correta-

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Curso Tecnico de Mecanica - Tecnologia dos Materiais I 2

mente apenas um dentre os milhares disponıveis. Ha varios criterios em que a decisao final enormalmente baseada. Em primeiro lugar, deve-se analisar as condicoes de trabalho para de-terminar a ordem das propriedades que o material deve possuir. Muito raramente o materialpossui a combinacao das propriedades ideais exigidas. Assim, pode ser necessario optar por umacaracterıstica ou outra. O exemplo classico envolve a dureza e a ductilidade; normalmente, ummaterial de alta dureza possui baixa ductilidade. Em certos casos, e necessario que duas oumais propriedades estejam de acordo para seu aproveitamento. Em segundo lugar, esta a dete-rioracao a qual o material sofrera durante sua operacao de servico. Por exemplo, um materialpode sofrer uma significante reducao na sua resistencia mecanica se for exposto a temperat-uras elevadas ou ambientes corrosivos. Finalmente, a viabilidade economica. Daı surge a tıpicapergunta: Quanto custara o produto final? Um material que possuir as qualidades ideais parao uso, podera tornar-se inviavel devido ao seu elevado custo. Novamente aqui, e inevitavel anecessidade da combinacao de fatores na escolha. O preco final de uma peca acabada incluiqualquer despesa necessaria para poder dar-lhe a forma desejada. Assim, com o estudo apro-fundado dos materiais, pode-se escolher prudentemente os que mais se adaptam a sua realidadeseguindo estes criterios.

1.3 CIENCIA DOS MATERIAIS

A Ciencia dos Materiais envolve a investigacao da relacao existente entre estrutura e propriedadesdos materiais. Assim, com base nessa correlacao entre estrutura e propriedades, desenvolve oucria a estrutura de um material para produzir um conjunto de pre-determinadas propriedades.”Estrutura”de um material diz respeito ao arranjo de seus componentes internos. A estruturasubatomica envolve os eletrons dentro dos atomos e a interacao com seus nucleos. Em um nıvelatomico, estrutura diz respeito a organizacao dos atomos ou moleculas uns em relacao aos outros.Seguindo essa ordem, o proximo tipo de estrutura e formada por um grande numero de atomosou moleculas que formam grandes aglomerados possıveis de serem observados atraves de ummicroscopio. Estas estruturas sao denominadas ”microscopicas”. Finalmente, a estrutura quepode ser observada diretamente com os olhos, sem nenhum equipamento especial, e chamada deestrutura ”macroscopica”.A nocao de ”propriedade”tambem merece um esclarecimento. Durante o uso, todos os materi-ais sao expostos a estımulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, umespecime submetido a uma forca sofrera uma deformacao; ou a superfıcie de um metal quandopolido refletira a luz. Portanto, propriedade e uma caracterıstica dos materiais em termos dotipo e magnitude da resposta para cada estımulo especıfico. Geralmente, definicoes de pro-priedades sao criadas independentemente da forma e do tamanho do material.Inevitavelmente as propriedades mais importantes dos materiais solidos podem ser agrupadasem seis categorias: mecanicas, eletro-magneticas , quımicas, opticas e tecnologicas.Para cada propriedade, ha um tipo de estımulo que provoca uma resposta diferente. A pro-priedade mecanica relaciona deformacao do material a uma forca aplicada sobre ou por ele.Neste caso, estao descritos os modulos de elasticidade e forca. Para as propriedades eletricas,como a conducao e constante dieletrica, o estımulo e o campo eletrico. O comportamento termicodos solidos pode ser representado em termos de capacidade calorıfica e condutibilidade termica.As propriedades magneticas demonstram a resposta de um material a aplicacao de um campomagnetico. Para as propriedades opticas, os estımulos podem ser uma radiacao eletromagneticaou luminosa e o ındice de refracao e reflexao, representam as propriedades em si. As propriedadesquımicas estao muitas vezes relacionadas a reatividade quımica dos materiais. Finalmente, aspropriedades tecnologicas estao relacionadas a adequabilidade do material diante dos processosde fabricacao aos quais e submetido.


1.4 CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS

Os materiais solidos sao geralmente classificados em tres grupos basicos: metais, polımeros eceramicas. Este esquema e baseado principalmente em sua composicao quımica e estruturaatomica, e os materiais entram em um grupo distinto ou outro, embora haja alguns inter-mediarios. Alem destes, ha mais outros tres grupos importantes para a Engenharia de Materiais,sao eles: os compositos, biomateriais e os semicondutores.

Metais - Metais sao elementos quımicos solidos a temperatura ambiente (exceto o mercurio),opacos, lustrosos, e quando polidos refletem a luz, alem de serem bons condutores deeletricidade e calor. A maioria dos metais e forte, ductil e maleavel, e, em geral, de altadensidade. Possuem um grande numero de eletrons livres; ou seja, estes eletrons naosao ligados a nenhum atomo em particular. Muitas das propriedades dos metais estaodiretamente ligados a estes eletrons. Metais sao os materiais estruturais primarios de todaa tecnologia e inclui um grande numero de ligas ferrosas (por exemplo, ferro-fundido, acocarbono, ligas de acos, etc.).

Polımeros - Dentre os polımeros incluem-se borrachas, plasticos, e muitos outros tipos de ade-sivos. Sao produzidos a partir da criacao de grandes estruturas moleculares provenientesde moleculas organicas em um processo conhecido como polimerizacao. Os polımeros tembaixa condutividade termica e eletrica, tem baixa resistencia mecanica comparado a outrosmateriais utilizados em Engenharia, e nao sao adequados para utilizacao em altas tem-peraturas. Polımeros termoplasticos, nos quais as longas cadeias de moleculas nao saorigidamente conectadas, tem boa ductilidade e formabilidade. Polımeros termofixos saonormalmente mais resistentes, porem, podem apresentar-se quebradicos pela sua cadeiamolecular ser de forte conexao. Os materiais polimericos sao utilizados em inumerasaplicacoes: embalagens, componentes de eletrodomesticos, brinquedos, pecas tecnicas eetc.

Ceramicos - Esta classe pode ser definida como qualquer material solido inorganico, nao-metalico, usado ou processado em temperaturas altas. Quando falamos em ceramica, ime-diatamente nos vem a mente coisas tais como loucas sanitarias, pisos, azulejos, porcelanade mesa, etc. Frequentemente esquece-se das aplicacoes tecnologicas mais avancadas deoxidos, carbonetos e nitretos. Muitos destes sao de grande interesse industrial. Ceramicastambem incluem materiais como vidro, grafite, cimento (concreto), etc.

Compositos - Compositos consistem na combinacao de dois ou mais materiais diferentes.O Fiberglass e um exemplo bem familiar, onde as fibras de vidro sao adicionadas a ummaterial polimerico. Um composito e desenvolvido para combinar as melhores propriedadesdos materiais que o constituem. O Fiberglass, por exemplo, adquire a dureza do vidro ea flexibilidade do polımero. Muitos dos recentes materiais desenvolvidos atualmente saocompositos.

Semicondutores - Semicondutores podem ser definidos como materiais que conduzem cor-rente eletrica melhor que os isolantes mas nao melhor que os metais. Um grande numerode materiais satisfaz a estas condicoes. Em temperatura ambiente, a condutividade car-acterıstica dos metais e da ordem de 104 a 106 ohm-1 cm-1, enquanto nos isolantes eda ordem de 10-25 a 10-9 ohm-1 cm-1. Os materiais classificados como semicondutorespossuem condutividade entre 10-9 e 104 ohm-1 cm-1. Normalmente a condutividade dosmetais diminui com o aumento da temperatura. Com os semicondutores ocorre o contrario,a condutividade aumenta com o aumento da temperatura. Nos semicondutores o processode conducao pode ocorrer de modo nao ionico onde ha o transporte de carga ou de massa


(de eletrons). As propriedades unicas dos semicondutores dependem, acima de tudo, donumero de portadores de corrente eletrica. Estes portadores podem ser de dois tipos:eletrons ou ”buracos”. O numero de portadores pode variar dependendo da temperatura,luminosidade, partıculas nucleares, campos eletricos, ou imperfeicoes no cristal na formade atomos de impurezas ou do sistema cristalino.

Biomateriais - Biomateriais sao materiais empregados em componentes destinados ao im-plante no corpo humano, substituindo partes doentes ou danificadas. Esses materiais naodevem produzir substancias toxicas e deve ser compatıvel com os tecidos do corpo, isto e,nao deve produzir reacoes biologicas adversas. Todas as classes de materiais podem serutilizadas como biomateriais - metais, ceramicos, polımeros, semicondutores, compositos -desde que sejam cuidadosamente selecionados.

Capıtulo 2

PROPRIEDADES DOSMATERIAIS

Todo projetista esta vitalmente interessado nos materiais que lhe sao disponıveis. Quer seuproduto seja uma ponte, um computador, um veıculo espacial ou um automovel, deve ter umprofundo conhecimento das propriedades caracterısticas e do comportamento dos materiais quepode usar. Considere-se, por exemplo, a variedade de materiais usados na manufatura de umautomovel: ferro, aco, vidro, plasticos, borracha, apenas para citar alguns. E, somente parao aco, ha cerca de 3000 tipos ou modificacoes. Com que criterio e feita a escolha do materialadequado para uma determinada peca?Ao fazer a sua escolha, o projetista deve levar em conta propriedades tais como resistenciamecanica, condutividade eletrica e/ou termica, densidade e outras. Alem disso, deve consideraro comportamento do material durante o processamento e o uso, onde plasticidade, usinabilidade,estabilidade eletrica, durabilidade quımica, deve ser utilizada. Muitos projetos avancados emengenharia dependem do desenvolvimento de materiais completamente novos. Por exemplo, otransistor nunca poderia ter sido construıdo com os materiais disponıveis ha 40 anos atras; odesenvolvimento da bateria solar requereu um novo tipo de semicondutor; e, embora os projetosde turbinas a gas estejam muito avancados, ainda se necessita de um material barato e queresista a altas temperaturas, para as pas da turbina.Desde que, obviamente, e impossıvel para o projetista ter um conhecimento detalhado dosmilhares de materiais agora disponıveis, assim como manter-se a par dos novos desenvolvimentos,ele deve ter um conhecimento adequado dos princıpios gerais que governam as propriedades detodos os materiais. Dentre estas propriedades, pode-se destacar:

2.1 PROPRIEDADES MECANICAS

Sao aquelas que definem o comportamento do material segundo um determinado esforco a queele pode ser submetido. O conjunto de propriedades mecanicas e baseado nas seguintes carac-terısticas do material:

Resistencia mecanica: E a propriedade apresentada pelo material em resistir a esforcos exter-nos, estaticos ou lentos. Tais esforcos podem ser de natureza diversa, como sejam: tracao,compressao, flexao, torcao, cisalhamento.

Assim, os esquemas abaixo representam os esforcos referidos:

Elasticidade: Propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva taodepressa cesse o esforco que tenha provocado a deformacao.A deformacao elastica e reversıvel e desaparece quando a tensao aplicada e removida.

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Figura 2.1: Esforcos mecanicos aos quais os corpos estao sujeitos.

Uma caracterıstica da deformacao elastica e que esta e praticamente proporcional a tensaoaplicada.O modulo de elasticidade (modulo de Young) e quociente entre a tensao aplicada e adeformacao elastica resultante. Ele esta relacionado com a rigidez do material. O modulode elasticidade resultante de tracao ou compressao e expresso em unidade de tensao (psiou kgf/mm2). O valor deste modulo e primordialmente determinado pela composicao domaterial e e apenas indiretamente relacionado com as demais propriedades mecanicas. Omodulo de Young e determinado a partir do ensaio de tracao.

Plasticidade: E a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem deformar per-manentemente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachadurasou fortes alteracoes de estrutura quando submetidos a pressoes ou choques compatıveis comas suas propriedades mecanicas. A plasticidade e influenciada pelo calor (o aco ao rubrotorna-se bastante plastico).O inverso da plasticidade e a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material e dito fragilou quebradico quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deformacao.

A plasticidade pode ser subdividida em:

• Maleabilidade: E a maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se defor-mar sob acao de uma pressao ou choque, compatıvel com a sua resistencia mecanica.Um material e maleavel quando sob acao do laminador ou do martelo da forja, naosofre rupturas ou fortes alteracoes na estrutura (endurecimento inadmissıvel).A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio e muito grandeo material e chamado plastico.

• Ductilidade: E a capacidade que os materiais possuem de se deformar plasticamenteate a ruptura. Deformacao plastica e aquela que impoe ao material uma deformacaopermanente.Assim sendo, o seu valor pode ser expresso como alongamento e nas mesmas unidadesde deformacao. Um comprimento comum (embora nao universal) para a medida doalongamento e 50mm. Como mostrado na Figura a seguir, o comprimento consideradoe importante pois a deformacao plastica normalmente e localizada.

Uma segunda medida da ductilidade e a estriccao que e a reducao na area de secao retado corpo, imediatamente antes da ruptura. Os materiais altamente ducteis sofrem grandereducao de area da secao reta antes de romper, Este ındice e sempre expresso em porcent-agem e e calculado como se segue:


Figura 2.2: Corpo de prova sujeito ao alongamento.

Dureza: E definida pela resistencia da superfıcie do material a penetracao, ao desgaste, e aoatrito, embora a primeira definicao seja a mais comumente aceita. Como se pode esperar, adureza e a resistencia a tracao estao intimamente relacionadas. A determinacao da durezae obtida a partir de uma serie de ensaios destinados especificamente para tal intento.

Fluencia (creep): Fenomeno de alongamento contınuo e que pode conduzir a ruptura e de-nominado fluencia. Esta caracterıstica e tıpica de materiais ferrosos quando submetidosa cargas de tracao constantes por longo tempo a elevadas temperaturas. Deformam-secontinuamente mesmo quando a solicitacao e menor do que a tensao de escoamento domaterial naquela temperatura. A fluencia ocorre mesmo quando o material e solicitadona temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluencia e praticamente desprezıvelcomparada com a que ocorre em temperaturas elevadas.O fenomeno da fluencia ocorre nos instrumentos de corda, violao, por exemplo. E impor-tante frisar que certas pecas ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.

Resiliencia: E a maior ou menor reacao do material as solicitacoes dinamicas, isto e, a pro-priedade do material resistir a esforcos externos dinamicos (choques, pancadas, etc.)sem sofrer deformacao permanente. Como exemplo citamos as pecas de um britador demandıbulas, uma matriz para forjamento, uma ferramenta de corte, molas, etc. Assim, asmolas sao feitas de materiais de elevada resiliencia.

Tenacidade: E dada pela energia consumida para fratura-lo . Em outras palavras, tenacidademede a capacidade que o material tem de absorver de energia ate fraturar-se incluindo adeformacao elastica e plastica quando essa energia e absorvida progressivamente.A tenacidade e, pois, medida pela area total do diagrama tensao-deformacao.Em geral diz-se que um material e tanto tenaz quanto maior e a sua resistencia a rupturapor tracao ou distensao; isto nem sempre e verdadeiro, pois alguns acos doces, por exemplo,sao mais tenazes que os acos duros, isto porque os acos duros apresentam, na ruptura umpouquıssima deformacao.A tenacidade tem alguma relacao com a resistencia ao choque, porem os valores da energiamedidos para ambos os casos nao concordam para todos os materiais ou condicoes deensaio.


2.2 PROPRIEDADES TECNOLOGICAS

Sao as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar trabalhar pelosprocessos de fabricacao usuais. As propriedades tecnologicas sao:

Fusibilidade: E a propriedade que o material possui de passar do estado solido para o lıquidosob acao do calor. Todo metal e fusıvel, mas, para ser industrialmente fusıvel, e precisoque tenha um ponto de fusao relativamente baixo e que nao sofra, durante o processode fusao, oxidacoes profundas, nem alteracoes na sua estrutura e homogeneidade. Emse tratando de metais convem conhecer as temperaturas correspondentes a colocacao quetomam quando aquecidas:

Principais temperaturas de fusao.

Alumınio 650oCFerro puro 1530oCAcos 1300oC a 1500oCZinco 420oCGusa e fofo 1150oC a 1300oCChumbo 330oCCobre 1080oCEstanho 235oC

Soldabilidade: E a propriedade que certos metais possuem de se unirem, apos aquecidos e su-ficientemente comprimidos. A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanecenum estado solido-plastico, sob o efeito do calor produzido pela acao soldante. O metalou liga que passar instantaneamente do estado solido para o lıquido e dificilmente soldavel(ferro fundido, por exemplo).

Temperabilidade: Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a sua estru-tura cristalina (endurecimento) apos um aquecimento prolongado seguido de resfriamentobrusco.Tal propriedade caracteriza o aco com certo teor de carbono, assim, como determinadasligas de alumınio, transformando a estrutura cristalografica do material que, em con-sequencia, altera todas as propriedades mecanicas.

Usinabilidade (ou maquinabilidade): E a propriedade de que se relaciona com a resistenciaoferecida ao corte e e medida pela energia necessaria para usinar o material no torno, sobcondicoes padroes.A usinabilidade de um material e obtida comparando-se com a de um material padrao cujausinabilidade e convencionada igual a 100.(aco B1112). O conhecimento da usinabilidadede um material permite calcular os tempos necessarios as operacoes de usinagem que e,portanto, indispensavel na programacao de uma fabricacao.A usinabilidade e um fator que influi bastante na escolha de um material que deve serusinado; assim, as maquinas automaticas dao grande producao quando usinam os chama-dos acos de corte facil (free cutting steels) tambem chamados de usinagem facil, que saomateriais com alta percentagem de enxofre, fosforo ou chumbo.

Fadiga: Fadiga nao chega a ser uma propriedade do material mais sim, um problema carac-terıstico de materiais sujeitos a esforcos cıclicos. Quando um material e sujeito a esforcosdinamicos, durante longo tempo, e observado um ”enfraquecimento”das propriedadesmecanicas ocasionando a ruptura. A fadiga pode ser tambem superficial, ocasionandodesgaste de pecas sujeitas a esforcos cıclicos, como comumente ocorre em dentes de en-grenagens.


2.3 PROPRIEDADES TERMICAS

Propriedades termicas estao vinculadas as caracterısticas dos materiais quando submetidos avariacoes de temperatura. Dentre estas propriedades destacam-se:

Condutividade termica: Sao propriedades que possuem certos corpos de transmitir mais oumenos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordem decrescente decondutibilidade: Ag, Cu, Al, latao, Zn, Aco e Pb. Corpos maus condutores de calor, naordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro, madeira, papel, etc.

Dilatacao: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido a acao do calor. Acapacidade de dilatacao de um material esta relacionada ao chamado coeficiente de di-latacao termica, que pode ser: linear, superficial e volumetrico. Esta caracterıstica dosmateriais deve ser considerada quando o mesmo e submetido a variacoes consideraveis detemperatura.

2.4 PROPRIEDADES ELETRICAS

A mais conhecida propriedade eletrica de um material e a condutividade eletrica. A condu-tividade eletrica e a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior ou menorcapacidade de transporte de cargas eletricas. Os corpos que permitem a eletricidade passar saochamados condutores, sendo uma caracterıstica dos materiais metalicos. Ja os que nao permitemtal fenomeno sao os chamados materiais isolantes. O cobre e suas ligas e o alumınio conduzembem a eletricidade, sendo empregados na fabricacao de linhas eletricas e aparelhagens; as ligasCr-Ni, Fe-Ni conduzem mal, servido para construcao de resistencias eletricas, como reostatos,etc. Dentre os materiais isolantes destacam-se: madeira seca, baquelite, ebonite,etc.

2.5 PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS

A caracterıstica mais comumente associada as propriedades eletromagneticas e:

Suscetibilidade magnetica: E a propriedade que caracteriza a maior ou menor facilidade comque os metais reunem ou dispersam as linhas de forca de um campo magnetico. Os metaisque reunem de modo acentuado as linhas de forca de um campo magnetico se denominam”ferromagneticos”. Exemplo: Fe, Ni e Co.Os metais que reunem debilmente as linhas de forca de um campo magnetico sao denomi-nados ”paramagneticos”. A maioria dos metais e paramagnetico. Os metais que dispersamas linhas de forca de um campo magnetico sao denominados ”diamagneticos”.

2.6 PROPRIEDADES FISICAS

Dentre o conjunto de propriedades fısicas destacam-se:

Densidade: E a relacao entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual volume deagua. E um numero abstrato. Exemplo: Pb = 11,4 Cu = 8,9 Al = 2,7 Mg = 1,7

Peso especıfico: E o peso da unidade de volume do corpo. Por exemplo: o peso especıfico doaco e 7,8 kg/dm3.


2.7 PROPRIEDADES QUIMICAS

Resistencia a corrosao: Quase todos os materiais usados pelos projetistas sao suscetıveis decorrosao por ataque quımico. Para alguns materiais, a solubilizacao e importante. Emoutros casos, o efeito da oxidacao direta de um metal ou de um material organico como aborracha e o mais importante. Alem disso, a resistencia do material a corrosao quımica,devido ao meio ambiente, e da maior importancia. A atencao que damos aos nossos au-tomoveis e um exemplo obvio da nossa preocupacao com a corrosao. Desde que frequente-mente, o ataque pela corrosao e irregular, e muito difıcil medi-la. A unidade mais comumpara a corrosao e polegadas de superfıcie perdida por ano.

2.8 PROPRIEDADES OPTICAS

Embora entre as propriedades opticas importantes para a engenharia incluem-se o ındice derefracao, a absorcao e a emissividade, apenas a primeira delas sera discutida aqui, porque asoutras duas ja sao mais especializadas. O ındice de refracao n e a razao entre a velocidade daluz no vacuo c e a velocidade da luz no material, Vm:

η =c

Vm(2.1)

O ındice tambem pode ser expresso em termos do angulo de incidencia i e do angulo de refracaor:

η =sin i

sin r(2.2)

Capıtulo 3

ESTRUTURA DOS MATERIAIS

A materia apresenta um aspecto descontınuo desde o momento em que se acha constituıda porpartıculas elementares, atomos e moleculas. Quando se consideram as caracterısticas de umasubstancia nao se leva somente em consideracao o comportamento dos atomos isolados, mastambem do conjunto de tudo aquilo que intervem em sua formacao.Segundo o estado fısico da substancia, esses agrupamentos atomicos se apresentam com carac-terısticas distintas; assim, como nos estados gasoso e lıquido os atomos tem grande mobilidadeque permite adaptar-se a qualquer conformacao externa que o contenha. No estado solido osatomos apresentam certa permanencia em suas posicoes o que confere ao material um certo graude indeformabilidade, caracterıstico do estado solido.Os materiais encontrados na natureza, ou mesmo fabricados podem ser classificados segundoregularidade em que atomos ou ions estao arranjados com respeitos a outros.Assim, pode-se encontrar:

• Materiais Cristalinos;Um material cristalino apresenta uma ordem de atomos que se repete periodicamente ategrandes distancias atomicos . Esta ordem de atomos se forma durante a solidificacao domaterial, em tres dimensoes, e cada atomo e vinculado com atomos vizinhos.Dentre os materiais cristalinos podemos destacar:

– todos os metais;

– muitos materiais ceramicos;

– alguns polımeros.

• Materiais amorfos (nao-cristalinos)Dentre os materiais amorfos (materiais literalmente ”sem-forma”) incluem os gases, oslıquidos e os vidros. Os dois primeiros sao fluidos e sao de maior importancia em engen-haria, ja que incluem muitos dos nossos combustıveis e o ar necessario a combustao, comotambem a agua. O vidro, o ultimo dos tres materiais amorfos, e considerado um ;lıquidorıgido; entretanto, quando considerarmos a sua estrutura, vemos que ele e mais do queapenas um lıquido super-resfriado.

3.1 ESTRUTURA CRISTALINA

Uma molecula tem uma regularidade estrutural, porque as ligacoes covalentes determinam umnumero especıfico de vizinhos para cada atomo e a orientacao no espaco dos mesmos. A maioriados materiais de interesse para a engenharia tem arranjos atomicos, que tambem sao repeticoes,nas tres dimensoes, de uma unidade basica. Tais estruturas sao denominadas cristais. Um

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Figura 3.1: Estrutura cristalina do cloreto de sodio.

exemplo desta regularidade estrutural pode ser observada no NaCl, conforme apresentado naFigura 3.1.

3.2 SISTEMAS CRISTALINOS

Define-se um sistema cristalino como a forma do arranjo da estrutura atomica. A sua repre-sentacao consiste em substituir atomos e rede espacial por conjunto de pontos.

Chama-se celula unitaria a menor porcao constituinte de um reticulado cristalino, conformeapresentado na Figura 3.3.

A ordem tridimensional dos atomos (arranjo das celulas unitarias) se repete simetricamenteate os contornos dos cristais (tambem chamados contornos de graos).

Na natureza e observado que os atomos, de forma geral, se arranjam de sete maneiraspossıveis, conforme notado na figura abaixo.

3.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS

Os principais metais apresentam estruturas conforme apresentado abaixo.

• CCCBa, Cr, Cs, Feα, Feδ, K, Li, Mo, Na, Nb, Ta, Ti b, V, W, Zrβ

• CFCAg, Al, Au, Ca, Co b, Cu, Fe g, Ni, Pb, Pt, Rh, Sr

• HCBe, Cd, Co a, Hf a, Mg, Os, Re, Ru, Ti a, Y, Zn, Zrα

Estas estruturas cristalinas podem ser melhores observadas na Figura abaixo, Figura 3.6.


Figura 3.2: Representacao esquematica de um reticulado cristalino.

Figura 3.3: Representacao esquematica de uma celula unitaria.

Figura 3.4: contorno de graos


Figura 3.5: Sistemas cristalinos.

Figura 3.6: Estruturas cristalinas mais comuns.

3.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO

E a propriedade que possui um corpo de apresentar-se em dois ou mais estados cristalinos difer-entes, seja pela simetria, seja pela estrutura reticular, de acordo com a mudanca de temperatura.Assim, o ferro apresenta-se em tres estados alotropicos, conforme a temperatura em que e con-siderado. Essas tres formas alotropicas sao definidas como:

Ferro a (CCC) a Ferro g (CFC) a Ferro d (CCC)Em temperatura ambiente, a forma alotropica do ferro caracteriza-se pela estrutura CCC,

sendo este conhecido ferro-a. Quando este e aquecido a 910oC, observa-se uma mudanca radicalna estrutura cristalina do ferro, passando entao a estrutura CFC, sendo denominado entao ferro-g. Caso o material seja aquecido ate 1400oC, a estrutura volta a ser CCC. Neste caso o ferropassa ser chamado de ferro-d.

Capıtulo 4

MATERIAIS METALICOS

Sao substancias simples que apresentam 1 a 3 eletrons no nıvel mais externo e que, nas com-binacoes quımicas, cedem eletrons perifericos transformando-se em cations.Apresentam, em linhas gerais as seguintes propriedades:

• Cor e brilho:os metais, com excecao do ouro (amarelo) e cobre (vermelho) apresentam coloracao quevaria do branco ao cinzento.

• Densidade:Os metais, quanto a densidade, se classificam em leves (densidade menor que 6 - alcalinos,alcalinos terrosos, Mg, Be, Al); e pesados (densidade superior a 6).

• Estrutura cristalina:Caracterıstica observada em todos os metais.

• Classificacao:Os materiais metalicos sao classificados em: Metalicos ferrosos e Metalicos nao-ferrosos.

4.1 METAIS FERROSOS

O ferro e um metal cuja utilizacao pelo homem e muito antiga. As civilizacoes antigas de Assıria,Babilonia, Egito, Persia, China, India e, mais tarde, da Grecia e de Roma ja fabricavam, porprocessos primitivos, armas e inumeros utensılios de ferro e aco.A importancia do ferro como metal e tal que fundamenta a classificacao dos materiais metalicos,alem de possuir um ramo da ciencia dos materiais especıfico para seu estudo.Portanto, siderurgia, e a ciencia que estuda a metalurgia do ferro (Fe), enquanto que metalurgiae a ciencia que estuda a extracao dos metais, seus minerais e suas ligas.Os produtos siderurgicos comuns sao ligas ferro-carbono com teor de carbono compreendidoentre 0 e 6,7%, sendo que industrialmente, essa faixa de teor de carbono varia somente entre 0e 4,5%.Os materiais metalicos ferrosos sao, portanto, produtos siderurgicos que se classificam exclusi-vamente em funcao do teor de carbono encontrado na liga. Desta forma, os materiais metalicosferrosos sao classificados como:

Acos: Liga Fe-C cujo teor de carbono varia de 0 a 2,1%C;

Ferros fundidos: Liga Fe-C com o teor de carbono situando-se entre 2,1 e 6,7%C.

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A producao dos acos e dos ferros fundidos pode ser definida segundo dois padroes mundiais,cujas estruturas diferem significativamente.Tem-se, portanto, dois modelos de usinas siderurgicas:

• Usinas integradas

• Usinas mini-mills

4.1.1 USINAS INTEGRADAS

As usinas integradas abrangem todas as etapas necessarias para, a partir das materias-primas,produzir-se ferro e aco. O processo classico e mais usado para a reducao do minerio de ferroutiliza o equipamento denominado alto forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono dealto teor de carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado lıquido, e encaminhado aaciaria, onde, em fornos adequados, e transformado em aco. Este e vazado na forma de lingotes,os quais, por sua vez, sao submetidos a transformacao mecanica, por intermedio de laminadores,resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda por intermedio de laminadores,sao transformados em formas estruturais com perfis em ”T”, ”I”, cantoneiras, trilhos, chapas,tarugos, etc.O fluxograma apresentado na Figura 4.1, representa esquematicamente, as principais etapaspara a fabricacao do aco a partir do modelo de processos adotado pelas usinas integradas.

4.1.1.1 MATERIA-PRIMA

As materias-primas basicas da usinas integradas sao:

• minerio de ferro;

• carvao;

• calcario.

4.1.1.1.1 Minerio de ferro O minerio de ferro constitui a materia-prima essencial para amanufatura dos processos siderurgicos.Os minerais que contem ferro em quantidade apreciavel sao os oxidos, carbonatos, sulfetos esilicatos. Os primeiros sao os mais importantes sob a otica dos processos siderurgicos. Osprincipais oxidos encontrados na natureza sao:

• Magnetita (oxido ferroso-ferrico) de formula Fe3O4 , contendo 72,4% Fe.

• Hematita (oxido ferrico), de formula Fe3O3 , contendo 69,9% Fe

• Limonita (oxido hidratado de ferro), de formula 2Fe2O3 3H2O, contendo, em media,48,3% Fe.

A magnetita e encontrada principalmente na Suecia, ao passo que a hematita e o minerio mais co-mum, sendo encontrado, entre outros paıses, na Franca, EUA, Russia, India, Australia, Canadae Brasil.O minerio de ferro antes de ser inserido no alto-forno sofre um processo de beneficiamento,que compreende uma serie de operacoes a que os minerios de ferro de varias qualidades podemser submetidos, com o objetivo de alterar seus caracterısticos fısicos ou quımicos e torna-losmais adequados para a utilizacao nos alto-fornos. Essas operacoes sao, geralmente: britamento,peneiramento, mistura, moagem, classificacao e aglomeracao.Os processos de aglomeracao visam melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir


Figura 4.1: Fluxograma representativo do processo utilizado pelas usinas integradas paraproducao do aco.


Figura 4.2: Esquema representativo do alto-forno.

o consumo de carvao e acelerar o processo de reducao. Dentre o processos de aglomeracao osmais importantes sao: sinterizacao e pelotizacao.

b) CarvaoO carvao, utilizado nos alto-fornos, pode ser tanto de origem mineral quanto de origem vegetal.Tem varias funcoes dentro do processo que sao:

• atuar como combustıvel gerando calor para as reacoes.

• atuar como redutor do minerio, que e basicamente constituıdo de oxidos de ferro

• atuar como fornecedor de carbono, que e o principal elemento de liga dos produtos siderurgicos

Da mesma forma que o minerio, o carvao tambem sofre um pre-processamento antes de serintroduzido no alto-forno. Esta operacao consiste no processo de coqueificacao, que por sua vezconsiste no aquecimento a altas temperaturas, geralmente em camaras hermeticamente fechadas,portanto com ausencia total de ar, exceto na saıda dos produtos volateis, do carvao mineral.

c) CalcarioO calcario atua como fundente, ou seja, reage, pela sua natureza basica, com substancias estran-has ou impurezas contidas no minerio e no carvao (geralmente de natureza acida) diminuindoseu ponto de fusao e formando a escoria, subproduto, por assim dizer, do processo classico doalto-forno.

4.1.1.2 Operacoes siderurgicas

a) Operacao do alto-forno (producao do ferro gusa)

O alto-forno constitui ainda o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. A par-tir dos primeiros fornos, dos tipos rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera,constantes aperfeicoamentos tecnicos foram introduzidos e a capacidade diaria paulatinamenteelevada, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas de ferro gusa por dia.


Figura 4.3: Alto-forno e suas partes.

O alto-forno e uma estrutura cilındrica, revestida internamente por tijolos refratarios, degrande altura, constituıda por tres partes fundamentais: o fundo, chamado de cadinho, a partemediana, conhecida como rampa, e a parte superior denominada cuba.O cadinho, e o lugar onde o gusa lıquido e depositado. A escoria (conjunto de impurezas quedevem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que e maispesado. No cadinho ha dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos para que oferro lıquido escoe, e o furo para o escoamento da escoria. Como a escoria flutua, o furo paraseu escoamento fica acima do furo de corrida. Assim, sobra espaco para que uma quantidaderazoavel de ferro seja acumulada entre as corridas.Na rampa, acontecem a combustao e a fusao. Para facilitar esses processos, entre o cadinhoe a rampa ficam as ventaneiras, que sao furos distribuıdos uniformemente por onde o ar pre-aquecido e soprado sob pressao.A cuba ocupa dois tercos da altura total do alto-forno. E nela que ;e colocada, alternadamentee em camadas sucessivas, a carga, compostos de minerio de ferro, carvao e os fundentes (cal ecalcario).

Na operacao do alto forno sao inseridos, em sua parte superior, o carvao (na forma de coque


ou carvao vegetal), o minerio de ferro (sınter ou pelotas) e os fundentes.A reducao dos oxidos de ferro acontece a medida que o minerio, o agente redutor (coque oucarvao vegetal) e os fundentes descem em contra-corrente, em relacao aos gases. Esses gasessao o resultado da queima do coque (CO) com o oxigenio do ar quente (em torno de 1000oC)soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona de combustao. Este processo ocorre na rampado alto-forno.Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os pedacos vazios. Essemovimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, ate atingir toda a largura dacuba. As reacoes de reducao, carbonetacao e fusao geram dois produtos lıquidos: escoria e oferro gusa. Ambos sao empurrados para os lados, pelos gases que estao subindo e escorrem parao cadinho, de onde saem pelos furos de corrida da escoria e do gusa respectivamente.O ferro gusa, tambem conhecido como ”ferro fundido de primeira fusao”, e uma liga ferro-carbonocom elevados teores de carbono (3,4 a 4,5% C) que e vendido em blocos como materia-primapara a producao de acos e ferros fundidos (fofos). O ferro gusa e extremamente fragil devido asignificativa quantidade de impurezas presentes na liga (fosforo, silıcio, enxofre, etc). Por essemotivo, ele tem praticamente nenhuma aplicacao na industria. Basicamente, o uso do ferro gusase resume, alem de servir de materia-prima para a producao de outros produtos siderurgicos,a uso em contra-pesos de guindastes e na fabricacao de pouquıssimas pecas fundidas de poucaresponsabilidade.Este material quando refundido, num forno como o cubilo, junto com sucatas de ferro fundidoe aco, da origem ao ”ferro fundido de segunda fusao”ou ferro fundido propriamente dito. Poroutro lado, ele tambem pode ser encaminhado as aciarias onde se da a producao do aco.

b)Fabricacao do acoSendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as impurezas normais - Silıcio(Si), Manganes (Mn), Fosforo (P) e Enxofre (S) - se encontram em teores elevados, a suatransformacao em aco, que e uma liga de mais baixos teores de Carbono (C), corresponde a umprocesso de oxidacao, por intermedio do qual a porcentagem daqueles elementos e reduzida ateaos valores desejados.A fabricacao do aco, na usina siderurgica, ocorre dentro de um setor especıfico conhecido comoaciaria. Ha diversos modelos de aciaria cada uma utilizando processos distintos para a producaodo aco. O equipamento utilizado nas aciarias, conhecido como conversor, e o responsavel pelometodo de obtencao, sendo os mais tradicionais:

• conversor Bessemer/Thomas sopro pelo fundo;

• conversor Tropenas sopro lateral;

• conversor L-D (Linz-Donawitz) sopro superior.

Dentre os modelos apresentados, o mais utilizado no Brasil e o Linz-Donawitz. O conversorL-D, tambem conhecido como BOP(”basic oxygen process”).Este tipo de conversor e constituıdo de uma carcaca cilındrica de aco resistente ao calor, revestidointernamente por materiais refratarios de dolomita ou magnesita, conforme indica a Figura.

Neste processo, introduz-se oxigenio, praticamente puro, atraves de uma lanca posicionadapouco acima da superfıcie do gusa lıquido, que o sopra provocando um impacto na superfıcielıquida. Este sopro de oxigenio promove uma reacao de oxidacao eliminando o carbono e outrasimpurezas: silıcio (Si), fosforo(P) e enxofre(S).O carbono eliminado da liga Fe-C forma com o oxigenio, o CO e o CO2. O silıcio oxidado, formaSiO2. O fosforo e eliminado antes do carbono pela acao da cal, que introduzida no conversorapos a introducao do oxigenio pela lanca. Forma-se uma escoria que garante a fixacao do P2O5


Figura 4.4: Tipos de conversores.

Figura 4.5: Conversor L-D (Linz-Donawitz)


resultante da oxidacao. O enxofre e facilmente eliminado, devido a forte agitacao do banho epelo fato da escoria apresentar-se mais quente e mais fluida.O fim do sopro e determinado atraves de calculos que indicam o teor de carbono a ser atingido.A lanca e entao retirada sendo, em seguida, o forno basculado para a posicao horizontal de modoa proceder-se ao vazamento do aco.

c)Fabricacao do Ferro Fundido

O ferro fundido e obtido no forno cubilo usando como materia-prima o ferro gusa e sucatasde aco e ferros fundidos (fofos). E um forno vertical cilındrico revestido de tijolos refratarios eequipado com ventaneiras na parte inferior.A carga, que e feita por uma abertura lateral, na parte superior e consiste de ferro gusa, sucatasde ferro fundido e aco, carvao coque e calcario. Essas materias-primas sao depositadas emcamadas alternadas. O metal fundido se reune no fundo do forno, de onde e escoado pela bica adeterminados intervalos de tempos. A escoria e previamente retirada por outro orifıcio situadoem um nıvel mais alto. O fundo do forno cubilo tambem pode ser removido para a limpeza ereparacao da sola.

Figura 4.6: Forno cubilo


4.1.2 USINAS MINI-MILLS

4.1.2.1 MATERIA-PRIMA

Este tipo de processo utiliza basicamente sucata (de aco ou ferro fundido) e cal. Pode-se tambem,a partir da aquisicao do gusa, proveniente das usinas integradas, trabalhar com este material.

4.1.2.2 OPERACOES SIDERURGICAS

O conceito de fabricacao do aco, observado nas usinas mini-mills, parte do princıpio que naoe necessario incorporar ao processo as operacoes realizadas no alto-forno. Pode-se, portanto,segundo este conceito americano, trabalhar-se com sucata promovendo a fusao deste metal eadicionando os elementos de liga necessarios a fabricacao de um aco novo.Desta forma, usinas tipo mini-mills iniciam seu processo a partir do que se identifica como asoperacoes da aciaria observadas nas usinas integradas.O princıpio e transformar a energia eletrica em energia termica, por meio da qual, promove-sea fusao do gusa e/ou da sucata, onde as condicoes de temperatura e oxidacao do metal lıquidosao severamente controladas.Os fornos eletricos sao basicamente de dois tipos: a arco eletrico e de inducao.

a. Fornos de arco eletrico Em geral estes fornos sao basculantes e tem o aspecto conformeapresentado na Figura 4.7.

Figura 4.7: Forno de arco eletrico


Os fornos a arco eletrico sao constituıdos de uma carcaca de aco feita de chapas grossas deaco soldadas e rebitadas, de modo a formar um recipiente cilındrico com fundo abaulado.Essa carcaca e revestida na parte inferior (chamada soleira)por materiais refratarios.

A carga e feita por uma porta diametralmente oposta a bica por onde e vazado o metal. Ocalor e fornecido pelo arco eletrico que se forma entre os tres eletrodos verticais e o banho.A escoria pode ser removida e substituıda atraves da porta de carga.O tamanho dos fornos eletricos variam muito, havendo instalacoes capazes de produzirdesde 500 kg ate 100 toneladas de aco em cada corrida. A duracao de cada corrida de 60toneladas e de cerca de 8 horas.Durante o processo, ocorre a oxidacao das impurezas e do carbono e reacoes de desox-idacao, ou retirada dos oxidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfuracao,quando o enxofre e retirado. E um processo que permite o controle preciso das quanti-dades de carbono presentes no aco.Os fornos eletricos contam com os oxidos de ferro (ferrugem) presentes nas sucatas de acoe de ferro fundido para promover a oxidacao das impurezas contidas na materia-prima.Essas impurezas sao eliminadas, posteriormente, junto com a escoria.

b. Fornos de inducao.O conjunto que compoe esse forno e formado de um gerador com motor de acionamento,uma bateria de condensadores e uma camara de aquecimento. Essa camara e basculantee tem, na parte externa, a bobina de inducao, conforme indicado na Figura 4.8.

Figura 4.8: Forno de inducao.

O cadinho e feito de massa refrataria socada dentro dessa camara, onde a sucata se fundepor meio de calor produzido dentro da propria carga.O fenomeno quımico observado nos fornos de inducao e semelhante aquele existente nosfornos de arco eletrico.


4.1.3 PRODUTOS SIDERURGICOS

Os produtos da industria siderurgica sao classificados, conforme mencionado anteriormente, emfuncao do teor de carbono encontrado na liga Fe-C.O teor de carbono, como elemento de liga principal, exerce influencia significativa sobre as pro-priedades dos materiais. Tal influencia se explica pelos diferentes nıveis de solubilidade do ferroem funcao da temperatura, que altera a sua forma alotropica, e modifica a capacidade de formarsolucao com o carbono.Pode-se compreender melhor este fenomeno a partir de uma analise do diagrama de fases Fe-C,apresentado na Figura 4.9

As principais consideracoes a serem feitas a respeito do diagrama binario Fe-C, com relacaoas reacoes que ocorrem em equilıbrio e das estruturas resultantes, sao as seguintes:

• o ponto A corresponde ao ponto de fusao do ferro puro - 1538oC e o ponto D, impreciso,ao ponto de fusao do Fe3C;

• na parte superior esquerda do diagrama, numa faixa estreita, ocorre uma reacao especialchamada ”peritetica”, na passagem do estado lıquido ao solido, em torno de 1495oC. aqual, contudo, nao apresenta importancia sob o ponto de vista pratico. Nesse trecho, aosolidificar, o ferro adquire a estrutura cubica centrada - chamada, nesse caso, de d (delta),passando, entretanto, quase a seguir, a estrutura cubica de face centrada gama (g), quecaracteriza o ferro a alta temperatura. A 912oC, ha a passagem da forma cubica de facecentrada para cubo centrado ate a temperatura ambiente, na forma alotropica alfa (a);

• na faixa de temperaturas em que o ferro esta na forma alotropica gama, ele tem capacidadede dissolver o carbono presente;

• entretanto, essa solubilidade do carbono do ferro gama nao e ilimitada: ela e maxima a1.148 C e corresponde a um teor de carbono de 2,11%. A medida que cai a temperatura,a solubilidade do carbono no ferro gama decresce; assim, a 727oC, a maxima quantidadede carbono que pode ser mantido em solucao solida no ferro gama e 0,77%; esses fatossao indicados no diagrama pelas linhas JE e Acm, esta ultima representando, portanto, amaxima solubilidade do carbono ou do Fe3C no ferro gama, nas condicoes de equilıbrio;

• as linhas JE e ECF correspondem a linha ”solidus”do diagrama;

• o carbono afeta, por outro lado, a temperatura de transformacao alotropica gama-alfa: apartir de 0% de carbono, essa temperatura de transformacao decresce paulatinamente, ateque para 0,77% ela se situa a 727oC. Abaixo de 727oC nao podera existir, em nenhumahipotese, nas condicoes de equilıbrio, ou seja, esfriamento muito lento, ferro na formaalotropica gama; tal fato e indicado pela linha PSK ou A1;

• o ponto C, conforme estudado anteriormente, e o conhecido ponto eutetico do diagramaFe-C. Observa-se que o ponto S assemelha-se ao C sendo chamado de ponto eutetoide.

• entre teores de carbono 0 e 0,77% ocorre nao apenas o abaixamento da temperatura detransformacao alotropica gama-alfa, esta transformacao e paulatina ou se da em duasetapas: comeca na linha GS ou A3 e termina na linha PS ou A1. Somente a 727oC ela einstantanea;

• a solubilidade do carbono no ferro alfa nao e, de fato, nula: cerca de 0,008% de carbonodissolvem-se a temperatura ambiente, e a 727oC, a solubilidade aumenta para 0.02%; de727oC para cima, decresce novamente a solubilidade do carbono ate 912oC torna-se nula.


Figura 4.9: Diagrama de equilıbrio Fe-C.


Nesse instante, entretanto, o ferro alfa passa a gama, que pode manter em solucao solidao carbono em teores bem mais elevados, como se viu; os fatos acima estao indicados pelaslinhas QP e PG. Pode-se chamar a liga Fe-C com carbono ate 0,008% no maximo de ferrocomercialmente puro;

• acima de 2,11% de carbono, na faixa dos ferros fundidos, duas linhas predominam, na fasesolida: a linha ECF ”solidus”e a linha SK, indicada por A1, abaixo da qual nao podeexistir ferro na forma alotropica gama;

• a solucao solida do carbono no ferro gama chama-se ”austenita”; portanto, na zona limitadapelas linhas JE, ES, SG e GNJ so existe austenita; essa zona e denominada ”austenıtica”;esta austenita (nome derivado do metalurgista ingles Roberts Austen) e um constituinteestrutural de boa resistencia mecanica e apreciavel tenacidade e nao-magnetico;

• na zona limitada pelas linhas SE (Acm), ECF e SK (A1) existe simultaneamente austenitae carbono, este ultimo na forma de Fe3C, porque, como se viu, a solubilidade do carbonono ferro gama nao e ilimitada;

• o Fe3C e um carboneto contendo 6,67% de carbono, muito duro e fragil; esse constituintee denominado ”cementita”(do latim ”cementum”).

As linhas que marcam o inıcio e o fim das transformacoes chamam-se linhas de transformacaoe elas limitam zonas chamadas zonas crıticas.

Industrialmente, pode-se, portanto distinguir, a partir do diagrama de fases a caracterizacaoda liga Fe-C como:

• Aco-Carbono: 0,008% a 2,11% de Carbono;

• Ferro fundido: 2,11 a 4,5% de Carbono.

4.1.3.1 ACOS

Os acos utilizados na construcao mecanica se dividem em tres grandes categorias:

• Acos-carbono ou comuns;

• Acos-liga;

• Acos especiais.

Estes ultimos contem elementos anexados propositalmente com a finalidade de fornecer oumelhorar as caracterısticas dos acos: resistencia mecanica, resistencia a corrosao ou ao calor,qualidades magneticas, etc.O aco e, talvez, o material mais empregado na maioria das construcoes mecanicas, pelas suasotimas caracterısticas mecanicas e sua adaptabilidade.Comercialmente sao encontrados sob a forma de acos fundidos, laminados e trefilados.

a) Aco-carbono (ou comum)

Quando o unico elemento de liga e o carbono, o material e designado aco-carbono ou acocomum.Grandes variacoes de resistencia e de dureza sao obtidas pela modificacao das percentagens de


carbono ou por tratamentos termicos. Com base no diagrama de equilıbrio Fe-C, pode-se in-terpretar as reacoes que ocorrem na faixa de composicoes correspondentes aos acos, que saoresponsaveis por tais variacoes.Na zona austenıtica, apos a solidificacao das ligas, so ocorre austenita. No caso de um acohipoeutetoide - entre 0,008% e 0,77% de carbono, o ferro gama da austenita comeca a transformar-se em ferro alfa que se separa, visto que ele nao pode manter em solucao solida senao quantidadesirrisorias de carbono; assim a composicao estrutural da liga vai se modificando a medida que caia temperatura: de um lado, tem-se ferro puro alfa separando-se continuamente e do outro ladoa austenita, cujo teor de carbono vai aumentando, em direcao ao ponto S.No instante que a liga atinge a temperatura correspondente a 727oC, tem-se, portanto, emequilıbrio, dois constituintes estruturais: ferro puro na forma alotropica alfa e uma solucaosolida de 0,77% de carbono no ferro gama (ou seja, austenita com 0,77% de C). Nesse momento,todo o ferro gama remanescente transforma-se abruptamente em ferro alfa. A transformacaoe, contudo, tao repentina que nao ha tempo suficiente para que ocorra uma separacao nıtidaentre o carbono (na forma de Fe3C ou cementita) e o ferro, na forma alotropica alfa. Resultaum constituinte de forma lamelar, formado por laminas muito delgadas e muito proximas umasdas outras, de ferro alfa e Fe3C, dispostas alternadamente. Com aumentos microscopicos rel-ativamente pequenos, nao da para perceber tais laminas. Com maiores aumentos, acima de1000 vezes, por exemplo, elas sao visıveis. Esquematicamente o aspecto dessa estrutura estarepresentada na Figura 4.10 (aco eutetoide). Devido a nuance de madreperola que esse con-stituinte adquire, quando examinado ao microscopio, e chamado ”perlita”. Suas propriedadessao intermediarias entre as do ferro puro (pouco resistente, mole e muito ductil) e a cementita(muito resistente, muito dura e muito fragil).

Figura 4.10: Representacao esquematica das estruturas das ligas Fe-C, na faixa correspondenteaos acos, resfriados lentamente, conforme o diagrama de equilıbrio Fe-C.

O ferro puro, na forma alotropica alfa, corresponde a uma estrutura chamada ”ferrita”(dolatim ”ferrum”). A ferrita, como ja se mencionou, pode manter em solucao solida ate 0,008%


de carbono.Os acos hipoeutetoides, com teor de carbono entre 0,008% e 0,77%, apresentam, pois, a tem-peratura ambiente, uma estrutura composta de ferrita e perlita, como a Figura 4.10(b) mostraesquematicamente. A quantidade de perlita aumenta e a de ferrita diminui, a medida que acomposicao do aco cresce em direcao ao ponto eutetoide.Ao resfriar-se lentamente um aco com a composicao exatamente eutetoide (0.77%C), a unicatransformacao que ocorre e no ponto S, quando a austenita passa bruscamente a perlita, cujaestrutura esta representada esquematicamente na Figura 4.10(c).Para os acos hipereutetoides, entre 0,77 e 2,11% de carbono as reacoes que ocorrem podemser assim explicadas: a austenita, ao atravessar a linha SE ou Acm, de maxima solubilidadedo carbono no ferro gama, comeca a expulsar o excesso de carbono que nao pode ser mantidoem solucao. Em consequencia, numa temperatura intermediaria entre Acm e A1, havera emequilıbrio duas fases: uma, representada pela austenita que vai se empobrecendo em carbono eoutra, pelo carbono paulatinamente expulso, na forma de Fe3C ou cementita.A temperatura de 727oC (linha A1), as fases que estao em equilıbrio serao, portanto: de umlado o Fe3C e do outro a austenita com 0.77% de carbono, a qual se transforma imediatamenteem perlita ao atingir e ultrapassar a linha A1. A estrutura correspondente, que permanece atea temperatura ambiente, como nos casos anteriores, e perlita mais cementita; esta ultima vailocalizar-se nos contornos dos graos, como a Figura 4.10(d) esquematicamente indica.Assim, em resumo, para os acos, tem-se as seguintes estruturas, a temperatura ambiente (ouabaixo da linha A1):

• ferro comercialmente puro: ”ferrita”, mole, ductil, e pouco resistente;

• acos hipoeutetoides: ”ferrita mais perlita”, cuja resistencia e dureza vao aumentando ecuja ductilidade vai diminuindo, a medida que se caminha em direcao ao teor 0,77% decarbono;

• acos hipereutetoides: ”perlita mais cementita”; a quantidade desta, disposta nos contornosdos graos, aumenta a medida que se caminha para teores mais elevados de carbono; essaestrutura e dura, resistente e pouco ductil, caracterısticos que se acentuam a medida queaumenta o teor de carbono.

Em funcao dessas propriedades das estruturas, os acos tem suas propriedades modificadas,a medida que o teor de carbono aumenta, conforme mostra o grafico da figura 4.11.

O aco-carbono e o mais barato dos acos, razao pela qual ele e preferıvel aos demais, excetoquando condicoes severas de servico exigem caracterısticas especiais, ou quando ha necessidadede pequenas dimensoes.Os acos-carbonos, de um modo geral, cobrem todas as faixas das necessidades da pratica.Com teor de 0,3% ou mais, pode ser tratado termicamente, melhorando suas propriedades deresistencia e dureza. Mas surgem dificuldades em pecas de grandes secoes devido ao resfria-mento lento do nucleo, o que impede as mudancas metalurgicas requeridas para endurecimentoe resistencia.O principal inconveniente do aco comum e a sua pequena penetracao de endurecimento, es-tendido apenas a uma fina camada. O resfriamento deve ser muito rapido, resultando tensoesresiduais internas, distorcoes, perda de ductilidade e, eventualmente, trincas.Os acos comuns podem ser classificados, quanto a composicao ou teor de carbono. A classificacaoamericana, praticamente adotada no mundo inteiro, define os seguintes padroes:

• Acos de baixo teor de carbono ate 0,25% de carbono

• Acos de medio teor de carbono de 0,25% a 0,6% de carbono


Figura 4.11: Propriedades mecanicas dos acos em funcao do teor de carbono

• Acos de alto teor de carbono de 0,6% a 2,0% de carbono

De um modo geral, acos com baixo teor de carbono (ate 0,25%) constituem cerca de 90% daproducao total de aco.A tabela 4.1 apresenta algumas indicacoes de utilizacao encontradas comumente na pratica.

A ABNT padroniza os acos para construcao mecanica segundo o teor de carbono, baseando-se nas normas SAE, excetuados alguns acos que sao indicados precedidos pela letra ”D”e saobaseados nas normas DIN.A representacao e feita por quatro algarismos (classificacao SAE), o primeiro algarismo indi-cando:

1 = aco-carbono2 = aco-nıquel3 = aco-nıquel-cromo4 = aco-molibidenio5 = aco-cromo6 = aco-cromo-vanadio7 = aco-tungstenio


Tabela 4.1: Aplicacoes tıpicas dos acos carbono comum.Carbono(%) Emprego

0,05 a 0,10 Estampas, chapas, rebites, arames, pecas trefiladas0,10 a 0,20 Pecas estruturais, de maquinas e cementadas; parafusos0,20 a 0,30 Engrenagens; arvores e eixos; alavancas, tubos soldados.0,30 a 0,40 Pecas a serem tratadas termicamente; tubos sem costura; arvores e eixos; bielas; ganchos;

parafusos.0,40 a 0,50 Forjamento; arvores; engrenagens e pinos.0,50 a 0,70 Matrizes de marteletes; parafusos de fixacao; aros de rodas; arruelas de fixacao; arames para

molas.0,70 a 0,80 Vigas e discos de arado; bigornas; serra de fita; martelos; chaves; molas; arvores; partes de

maquinas pesadas.0,80 a 0,90 Implementos agrıcolas; puncoes; brocas para pedra; talhadeiras; ferramentas manuais; molas

de laminas.0,90 a 1,00 Molas, facas; eixos; matrizes.1,00 a 1,10 Brocas, alargadores; fresas; facas.1,10 a 1,20 Brocas, bedames.1,20 a 1,30 Limas; alargadores; ferramentas de corte.1,25 a 1,40 Raspadores, serras.

9 = aco-silıcio-manganes

O segundo algarismo indica a percentagem aproximada do elemento predominante da liga.Os dois ultimos algarismos indicam o teor medio de carbono contido, em percentagem. O tabela4.2 apresenta as padronizacoes indicadas pela ABNT.

Tabela 4.2: Especificacao de acos a ABNT (SAE)Classe Designacao Composicao10XX Acos-carbono comuns Mn-maximo 1,00%11XX Aco ressulfurado.Tambem conhecidos como acos de usinagem e corte12XX Aco ressulfurado e refosfatado13XX Aco-manganes Mn-1,75%14XX Acos com adicao de niobio Nb-0,10%15XX Aco carbono Mn-1,00 e 1,65%23XX Aco-nıquel Ni-3,5%25XX Aco-nıquel Ni-5,0%31XX Aco-nıquel-cromo Ni-1,25% Cr-0,65%33XX Aco-nıquel-cromo Ni-3,50% Cr-1,57%40XX Aco-molibdenio Mo-0,25%41XX Aco-cromo-molibdenio Cr-0,50 ou 0,95%Mo-0,12 ou 0,25%43XX Aco-nıquel-cromo-molibdenio Ni-1,82%Cr-0,50 ou 0,80%Mo-0,25%46XX Aco-nıquel-Molibdenio Ni-1,57 ou 1,82%Mo-0,20 ou 0,25%47XX Aco-nıquel-cromo-molibdenio Ni-1,05%Cr-0,45%Mo-0,20%48XX Aco-nıquel-molibdenio Ni-3,50% Mo-0,25%50XX Aco-cromo Cr-0,27 ou 0,50%51XX Aco-cromo Cr-0,80 a 1,05%61XX Aco-cromo-vanadio Cr-0,80 ou 0,95%V-0,10 ou 0,15%86XX Aco-nıquel-cromo-molibdenio Ni-0,55%Cr-0,50%Mo-0,20%92XX Aco-silıcio-manganes Mn-0,85% Si-2,00%93XX Aco-nıquel-cromo-molibdenio Ni-3,25% Cr-1,20%Mo-0,12%98XX Aco-nıquel-cromo-molibdenio Ni-1,00%Cr-0,80%Mo-0,25%

XXBXX Aco-boro B-0,0005% mınimoXXLXX Aco-chumbo Pb-0,15 a 0,35%

A tabela 4.3 apresenta algumas caracterısticas mecanicas do aco-carbono especificadas pelaABNT.


Tabela 4.3: Especificacao de acos segundo ABNT.ABNT Tracao(kgf/mm2) Along Dureza

Ruptura Escoamento (%) (Brinell)1010 33 18 28 95

37 31 20 1051020 35 19 28 101

39 33 18 1111025 41 22 25 116

45 38 15 1261030 48 26 20 137

53 45 12 1491040 53 29 18 149

60 50 12 1701045 57 32 16 163

64 54 12 1791050 63 35 15 179

70 59 10 1971060 69 38 12 2011070 71 39 12 2121080 78 43 10 2291090 85 47 10 248

* Os primeiros valores sao para os laminados a quente e os segundos para os laminados a frio.

b) Aco-ligaExistem tres possibilidades para melhorar a resistencia mecanica de qualquer metal: aplicarprocessos de fabricacao por conformacao mecanica, como prensagem e laminacao; tratar o metaltermicamente, ou seja, submete-lo a aquecimento e resfriamento sob condicoes controladas; ouacrescentar elementos de liga.A caracterizacao de um aco como aco-liga se da quando a quantidade dos elementos adicionadosfor muito maior do que as encontradas nos acos-carbono comuns, sendo esta adicao responsavelpor significativa modificacao e melhoria em suas propriedades mecanicas.Dependendo da quantidade dos elementos de liga adicionados, o aco-liga pode ser um aco debaixa liga, se tiver ate 5% de elementos de adicao, ou um aco de liga especial, se tiver quanti-dades de elementos de liga maiores do que 5%.Os elementos de liga mais comumente adicionados ao aco sao: nıquel, manganes, cromo, molibdenio,vanadio, tungstenio, cobalto, silıcio e cobre, sendo possıvel adicionar mais de um elemento deliga para se obter um aco-liga.A tabela 4.4 apresenta a influencia dos elementos de liga na estrutura e nas propriedades do aco.

Alguns dos acos-liga obtidos a partir de um ou mais elementos apresentados no Quadro 4.4,sao padronizados pela ABNT e foram apresentados no Quadro 4.2.


Tabela 4.4: Influencia dos elementos de liga nas propriedades dos acos.Elementos CaracterısticasAlumınio Desoxidante. Reduz o crescimento do grao. Em pequena quantidade aumenta a resistencia,

mas, em quantidade grande produz fragilidade.Adicionado de 2 a 5% aumenta o poderrefratario e antioxidante.

Chumbo Produz a formacao de fibras e partıculas finamente divididas.Em pequenas quantidadesfavorece a usinabilidade.

Cromo Produz: carbonetos duros que fazem aumentar a dureza; tempera muito profunda e granderesistencia ao desgaste. Pequenas adicoes de cromo dao tenacidade ao aco, aumentando suaresistencia e sua resiliencia;diminui a usinabilidade; reduz a zona de tempera se nao vemacompanhado de nıquel. Conserva a dureza a maiores temperaturas; proporciona melhoriada resiliencia a oxidacao e a corrosao.

Cobalto Aumenta a dureza ao rubro. A altas temperaturas, os carburetos mantem ainda a dureza,mas, tendem a descarburar o aco no tratamento termico. Faz aumentar a dureza e a tenaci-dade, mas em excesso faz diminuir a resiliencia. Faz aumentar o magnetismo.

Niobio Utilizado para diminuir a corrosao intergranular nos acos inoxidaveis. Pode formar carbure-tos para aumentar a resiliencia e a dureza,mas em geral, nao se faz uso desta possibilidade.Quando adicionado aos acos com certo teor de cromo reduz o tempo de recozimento por suaacao suavizadora.

Nıquel Aumenta a dureza, resistencia, ductilidade e resiliencia. Afina a estrutura sem prejuızo dausinagem. Atrasa o crescimento do grao. Em grandes quantidades produz resistencia aoxidacao a altas temperaturas.

Lıtio Poderoso desoxidante e desgaseificante. Aumenta o limite de escoamento dos acos-carbono.Aumenta a fluidez dos acos inoxidaveis, produzindo fundicoes densas com limites elasticoselevados.

Manganes Desoxidante e dessulfurante. Adicionado em pequenas quantidades aumenta a dureza, aresistencia ao desgaste e a resistencia a tracao. Faz aumentar a solubilidade do carbono.Produz um aco austenıtico quando a composicao de Manganes oscila em torno de 12%.O aco com muito manganes e muito duro e e nao-magnetico. Aumenta o coeficiente dedilatacao. Em pequenas quantidades aumenta a profundidade e a velocidade de tempera.

Molibdenio Nas altas temperaturas aumenta a resistencia e a resiliencia, e a dureza e a fragilidade embaixa temperaturas. Evita o crescimento do grao. Aumenta a resistencia a deformacao porcargas permanentes em altas e baixas temperaturas. Aumenta a facilidade de usinabilidadedos acos-carbono. Aumenta a resistencia a corrosao dos acos inoxidaveis.

Nitrogenio Normalmente indesejavel. Aumenta ligeiramente a dureza e reduz a ductilidade. Em pe-quena quantidade afina o grao e aumenta a resistencia dos acos de alto cromo.

Fosforo Favorece a contracao com o resfriamento. Em pequenas quantidades aumenta ligeiramentea resistencia a tracao e a corrosao.

Silıcio Desoxidante. Favorece a formacao de grafite. Separa o carbono da solucao. Em pequenasquantidades aumenta a resiliencia e ate 1,75% aumenta o limite elastico. Aumenta a re-sistencia dos acos pobres em carbono. Em quantidade media, aumenta a permeabilidademagnetica. Em pequena quantidade produz forte dureza, resistencia ao desgaste e resistenciaaos acidos.

Tantalo Utilizado em alguns acos especiais para ferramentas, para aumentar a dureza em elevadastemperaturas

Titanio Desoxida e separa o nitrogenio. Aumenta a resistencia e a dureza. Reduz ao mınimo acorrosao intergranular nos acos de alto teor de carbono.

Tungstenio Aumenta a dureza do aco ao rubro e a estabilidade dos carburetos duros, a altas temperat-uras. Aumenta a profundidade de tempera. Aumenta a resistencia a tracao e a resistencia aodesgaste. Em pequenas quantidades produz uma estrutura de grao fino. Forma partıculasduras resistentes a abrasao, nos acos de alto carbono. Aumenta a resistencia aos acidose a corrosao. Permite alcancar um elevado magnetismo remanescente e uma grande forcacoerciva no aco especial para eletro-ımas.

Vanadio Desoxidante. Aumenta a tenacidade e resistencia dos acos. Forma carburetos duros. Afinao grao. Conserva a dureza dos acos em temperaturas elevadas. Evita o crescimento dograo.Aumenta a resistencia a fadiga e a resistencia ao choque.


c) Acos especiais

c.1) Acos Hadfield

O aco Hadfield e um material que quando deformado endurece bastante na zona deformada,endurecimento este causado pela precipitacao da martensita. A martensita e uma microestru-tura tıpica observada no aco quando e submetido ao tratamento termico de tempera. Taiscaracterısticas sao obtidas a partir da adicao do manganes na proporcao de 11 a 14% e carbonoestando entre 1,1 e 1,4%. A adicao do manganes neste teor da ao aco a notavel propriedade deser, quando solubilizado, completamente austenıtico, sendo entao, muito resistente a choques.Este aco e aplicado em mandıbulas de britadeiras e bolas de moinho.

c.2) Acos silıcioSao empregados quando sao necessarios materiais com boa permeabilidade magnetica. Estefenomeno ocorre porque o material tem a sua resistencia bastante elevada. Sao empregadosem motores, alternadores, transformadores, etc. A composicao desses acos varia dentro dosseguintes teores:

• C - 0,07

• Mn - 0,4

• Si - 2,4

c.3) Acos inoxidaveisA expressao aco inoxidavel, como e usualmente conhecido, nos da uma ideia de um material quenao se destroi mesmo quando submetido a severas condicoes de trabalho. Na verdade este tipode aco nao e eterno e sim apresenta uma maior resistencia a corrosao, quando submetido a umdeterminado meio ou agente agressivo. Apresenta tambem uma maior resistencia a oxidacao aaltas temperaturas em relacao a outras classes de acos, quando, neste caso em particular, recebea denominacao de aco refratario.A resistencia a oxidacao e corrosao do aco inoxidavel se deve principalmente a presenca docromo, que a partir de um determinado valor e em contato com o oxigenio, permite a formacaode uma pelıcula finıssima de oxido de cromo sobre a superfıcie do aco, que e impermeavel einsoluvel nos meios corrosivos usuais. Assim podemos definir como aco inoxidavel o grupo deligas ferrosas resistentes a oxidacao e corrosao, que contenham no mınimo 12% de cromo.O cromo favorece o endurecimento produzido pela tempera em oleo, e refina os graos, dificultaa ferrugem, mantendo o material brilhante na atmosfera.Os acos inoxidaveis sao resistentes ao ataque de varios elementos, tais como o acido acetico enıtrico, os alcalis, sumos de frutas, etc.Com cerca de 17% Cr, ou 18% Cr + 8% Ni, nao escamam nas altas temperaturas como outrosacos.A alta resistencia dos acos inoxidaveis, combinada com a boa ductilidade, desenvolveu o seuemprego onde resistencia e leveza sao importantes.Os acos inoxidaveis sao classificados em tres grupos de acordo com a microestrutura basica for-mada: aco inoxidavel martensıtico, aco inoxidavel ferrıtico, aco inoxidavel austenıtico.Os acos inoxidaveis martensıticos sao obtidos apos resfriamento rapido quando aquecimento emaltas temperaturas. Mostram uma estrutura caracterizada pela alta dureza e fragilidade.Contem de 12 a 17% de Cromo e O,l a O,5% de carbono (em certos casos ate 1% de carbono)e podem atingir diversos graus de dureza pela variacao das condicoes de aquecimento e resfria-mento (tratamento termico).Sao dificilmente atacados pela corrosao atmosferica no estado temperado e se destacam pela


dureza, sendo tambem ferromagneticos.Apresentam trabalhabilidade inferior as demais classes e soldabilidade pior, especialmente comcarbono mais elevado, devido a formacao de martensita no resfriamento.A padronizacao deste tipo de aco segue a norma AISI no qual a numeracao distingue os teoresde carbono, cromo e outros elementos de liga adicionados. Os tipos mais comuns sao os acos403, 410, 414, 416, 420, 420F, 431, 440A, 440B, 440C e 440F.Os tipos 403, 410, 414, 416 e 420 caracterizam-se por baixo teor de carbono e um mınimo de11,5% de cromo, que, no tipo 431, pode chegar a 17%. Embora o carbono seja baixo, essesacos possuem boa temperabilidade, devido a presenca do cromo. Esses acos sao chamados ”tipoturbina”e e apropriado em aplicacoes como: laminas de turbina e compressor, molas, eixos ehelices de bombas, hastes de valvulas, parafusos, porcas, etc.O tipo 420F possui carbono entre 0,30 e 0,40% e nos tipos 440A, 440B e 440C, o teor de carbonoe mais elevado, mınimo de 0,60% no tipo 440A e maximo 1,20% no tipo 440C. O teor de cromovaria de 12,0 a 18,0%. Sao denominados ”tipo cutelaria”e empregados em cutelaria, instrumen-tos cirurgicos, molas, mancais antifriccao, etc.Os acos inoxidaveis ferrıticos apos o resfriamento rapido de alta temperatura eles mostram umaestrutura macia e tenaz, altamente homogenea. Contem de 16 a 30% de Cromo.Nao podem ser endurecidos por tratamento termico e sao basicamente usados nas condicoes derecozido.Possuem uma maior usinabilidade e maior resistencia a corrosao que os acos martensıticos dev-ido ao maior teor de cromo. Possuem boas propriedades fısicas e mecanicas e sao efetivamenteresistentes a corrosao atmosferica e a solucoes fortemente oxidantes, sendo ferromagneticos.As aplicacoes principais sao aquelas que exigem boa resistencia a corrosao, otima aparencia su-perficial e requisitos mecanicos moderados. Apresentam, tendencia ao crescimento de grao apossoldagem, particularmente para secoes de grande espessura, experimentando certas formas defragilidade.A designacao AISI indica como tipos principais: 405, 406, 430, 430F, 442, 443 e 446. Sao aplica-dos em equipamentos para a industria quımica, em equipamentos para restaurantes e cozinhas,pecas de fornos e em componentes arquitetonicos ou decorativos. Podem ser aplicados tambemem queimadores e radiadores devido a sua resistencia a corrosao em altas temperaturas.Os acos inoxidaveis austenıticos sao obtidos a partir da introducao do nıquel como elemento deliga, que proporciona uma alteracao na sua estrutura capaz de elevar a sua resistencia mecanicae tenacidade. Este aco apresenta excelente resistencia a corrosao em muitos meios agressivos.Outros elementos como molibdenio, titanio e niobio, se adicionados podem melhorar a resistenciaa corrosao.Dos tres grupos, estes acos sao os que apresentam maior resistencia a corrosao. Eles combinambaixo limite de escoamento com alta resistencia a tracao e bom alongamento, oferecendo asmelhores propriedades para trabalho a frio.Nao podem ser endurecidos por tratamento termico, mas suas resistencia a tracao e dureza po-dem ser aumentadas por encruamento, nao sendo ferromagneticos.Possuem uma ampla faixa de propriedades mecanicas, oferecendo boa ductilidade e resistenciaa altas e/ou baixıssimas temperaturas, alem de boa usinabilidade e soldabilidade.Os tipos AISI mais comuns sao designados pelos numeros 301, 302, 302B, 303, 304, 308, 309,309S, 310, 316, 317, 321 e 347. As aplicacoes desses acos inoxidaveis sao as seguintes: pecas dec-orativas, utensılios domesticos, pecas estruturais, componentes para a industria quımica, naval,alimentıcia, de papel e inclusive componentes que devam estar sujeitos a temperaturas elevadas,como pecas de estufas e fornos, devido a boa resistencia a oxidacao que apresentam.


c.4) Acos Rapidos

Os acos rapidos sao aqueles que, depois de endurecidos por tratamento termico, mantem adureza e a temperatura mais elevadas do que a temperatura de inıcio de amolecimento dos acoscomuns.Apresenta como elementos de liga o vanadio, tungstenio e cromo. Um aumento extraordinariode eficiencia dos acos rapidos foi conseguido pela adicao do cobalto. A adicao de 5% de cobaltoao aco com 18% de tungstenio faz aumentar a eficiencia em 100%. Com o aco rapido com cobaltoconsegue-se usinar ate o aco manganes. Quanto maior o teor de cobalto mais fragil se torna oaco. O vanadio opoe-se a esta tendencia e por isso sera sempre proporcionalmente adicionadonos acos rapidos ao cobalto.

4.1.3.2 FERROS FUNDIDOS

Os ferros fundidos sao ligas de ferro e carbono com teores elevados de silıcio e tambem sendofabricados a partir do ferro-gusa. Neste caso, o carbono esta presente em teores situados entre2 e 4,5%.O ferro fundido e o que chamamos de uma liga ternaria. Isso quer dizer que ele e compostode tres elementos: ferro, carbono (2 a 4,5%) e silıcio (1 a 3%). Existe ainda o ferro fundidoligado,ao qual outros elementos de liga sao acrescentados para dar alguma propriedade especiala liga basica.Dependendo da quantidade de cada elemento e da maneira como o material e resfriado ou tratadotermicamente, o ferro fundido sera cinzento, branco, maleavel ou nodular. O que determina aclassificacao em cinzento ou branco e a aparencia da fratura do material depois de seu resfri-amento. Essa aparencia, por sua vez, e determinada pela forma como o carbono se apresentadepois que a massa metalica solidifica.No ferro fundido cinzento, o carbono se apresenta sob a forma de grafita, semelhante a grafitedos lapis comuns, em flocos ou laminas, que da a cor acinzentada ao material. Como o silıciofavorece a decomposicao da cementita em ferro e grafita, esse tipo de liga ferrosa apresenta umteor maior de silıcio (ate 2,8%). Outro fator que auxilia na formacao da grafita e o resfriamentolento.Os ferros fundidos cinzentos apresentam boa usinabilidade e grande capacidade de amorte-cer vibracoes. Sao empregados nas industrias automobilıstica, de equipamentos agrıcolas e demaquinas e, na mecanica pesada, na fabricacao de blocos e cabecotes de motor, suportes, barrase barramentos para maquinas industriais.O ferro fundido branco e formado no processo de solidificacao, quando nao ocorre a formacaoda grafita e todo o carbono fica na forma de carboneto de ferro (cementita). Daı, sua cor clara.Para que isso aconteca, tanto os teores de carbono quanto os de silıcio devem ser baixos e avelocidade de resfriamento deve ser maior. Nos ferros fundidos brancos ligados, elementos comoo cromo, o molibdenio e o vanadio funcionam como estabilizados dos carbonetos, aumentandoa dureza.Por causa da elevada dureza, os ferros fundidos brancos sao frageis, embora tenham uma granderesistencia a compressao, ao desgaste e a abrasao. Essa resistencia e dureza se mantem mesmoem temperaturas elevadas. Por isso, esse tipo de material ferroso e empregado em equipamentosde manuseio de terra, mineracao e moagem, rodas de vagoes e revestimentos de moinhos.O ferro fundido maleavel e um material que reune as vantagens do aco e as do ferro fundidocinzento. Assim, ele tem, ao mesmo tempo, alta resistencia mecanica a alta fluidez no estadolıquido, o que permite a producao de pecas complexas e finas.O ferro fundido maleavel e produzido a partir de um ferro fundido branco submetido a umtratamento termico, por varias horas, que torna as pecas fabricadas com este material maisresistentes ao choque e as deformacoes. Dependendo das condicoes do tratamento termico, o


ferro pode apresentar o nucleo preto ou branco.O ferro fundido nodular , apresenta partıculas arredondadas de grafita. Isso e obtido coma adicao de elementos, como o magnesio, na massa metalica ainda lıquida. Com o auxılio detratamentos termicos adequados, esse material pode apresentar propriedades mecanicas, comoa ductilidade, a tenacidade, a usinabilidade e as resistencias mecanica e a corrosao, melhores doque as de alguns acos-carbono.Devido ao menor custo de processamento, esta substituindo alguns tipos de acos e ferros fundi-dos maleaveis na maioria de suas aplicacoes. a tabela abaixo apresenta algumas informacoes arespeito dos ferros fundidos.

Tabela 4.5: Caracterısticas dos ferros fundidos.Tipo de FerroFundido

Propriedades Produtos

Ferro fundidocinzento

Boa usinabilidade. Capacidade deamortecer vibracoes

Blocos e cabecotes de motor, carcacas e platosde embreagem, discos e tambores de freio; su-portes, bases e barramentos de maquinas in-dustriais.

Ferro fundidobranco

Dureza e fragilidade.Elevada re-sistencia a compressao.Resistenciaao desgaste e a abrasao.

Equipamentos de manuseio de terra, min-eracao e moagem; rodas de vagoes; revesti-mentos de moinhos.

Ferro fundidomaleavel

Alta resistencia mecanica e alta flu-idez no estado lıquido. Resistenciaao choque e as deformacoes.

Suportes de molas, caixas de direcao, cubos deroda; conexoes para tubulacoes hidraulicas eindustriais; suportes de barras de torcao, cor-pos de mancais, flanges para tubos de escapa-mento.

Ferro fundidonodular

Ductilidade, tenacidade, usinabili-dade.Resistencia mecanica e a cor-rosao.

Mancais, virabrequins, caixas de diferencial,carcacas de transmissao.

Os produtos de ferro fundido, assim como os de aco, e de qualquer outro tipo de material, saonormalizados, ou seja, seguem as normas da ABNT (Associacao Brasileira de Normas Tecnicas).Nos catalogos, esses produtos sao apresentados de acordo com designacoes ou especificacoesdessas normas.Os ferros fundidos cinzentos sao classificados pela ABNT, segundo a norma NBR 6589 de acordocom seus limites de resistencia a tracao. A classificacao e codificada por duas letras e um numerode tres dıgitos: FC-XXX. As letras FC indicam o ferro fundido cinzento e o numero indica aresistencia a tracao em MPa. Por exemplo: um ferro fundido FC-200 e um ferro fundido cinzento,com 200 MPa (20 kgf/mm2) de resistencia a tracao.O ferro fundido nodular e designado por um conjunto de duas letras e um numero de cincodıgitos, no qual os tres primeiros algarismos indicam a resistencia a tracao em MPa e os doisultimos, a porcentagem de alongamento. Segundo a norma NBR 6916, o ferro fundido nodulare classificado nos seguintes tipos: FE-38017, FE-42012, FE-50007, FE-60003, FE-70002, FE-80002.O ferro fundido maleavel de nucleo preto e normalizado pela NBR 6590. Sua designacao ecomposta por tres letras e cinco dıgitos, dos quais os tres primeiros indicam a resistencia atracao em MPa e, os dois ultimos, indicam a porcentagem de alongamento: FMP-30006, FMP-35012, FMP-45007, FMP-50005, FMP-55005, FMP-65003, FMP-70002.Os ferro fundidos maleaveis de nucleo branco sao normalizados pela NBR 6914 e sao designadospor um conjunto de quatro letras e cinco dıgitos seguindo o mesmo criterio dos ferros fundidosmaleaveis de nucleo preto: FMBS-38012.


4.2 METAIS NAO-FERROSOS

4.2.1 ALUMINIO E SUA LIGAS

O alumınio e um metal retirado de um minerio chamado bauxita, que existe em grande quanti-dade na natureza. Na verdade, cerca de 8% da crosta terrestre sao constituıdos pelo alumınio.Isso o torna o metal mais abundante no nosso planeta.Quando comparamos sua historia com a do ferro ou do cobre, descobrimos que sua utilizacaoe muito recentemente. Ela so se tornou realidade com o desenvolvimento tecnologico propor-cionado pela Revolucao Industrial.Atualmente, seu volume de producao e maior do que o de todos os outros metais nao-ferrososjuntos. O processo de obtencao do alumınio e constituıdo por duas etapas:

• Obtencao da alumina;

• Obtencao do alumınio.

Apos a obtencao do minerio (bauxita), sao retiradas impurezas da bauxita para que sobresomente a alumina. Para isso, a bauxita e triturada em moinho especıfico e misturada com umasolucao de soda caustica no digestor. Dessa forma, a alumina e dissolvida, a sılica contida napasta e eliminada, mas as outras impurezas nao. Entao, elas sao separadas por processos desedimentacao e filtragem no decantador e no filtro .prensa respectivamente.A solucao resultante, chamada aluminato de sodio, e colocada em um precipitador e, nesseprocesso, obtem-se a alumina hidratada. Nesse ponto, a alumina hidratada pode seguir um entredois caminhos: pode ser usada como esta ou ser levada para os calcinadores. No primeiro caso,sera materia-prima para produtos quımicos, como o sulfato de alumınio, usado no tratamento daagua e na industria de papel. Podera ser empregada, tambem, na producao de vidros, corantese cremes dentais.O aluminato de sodio e materia-prima nao so para a producao de alumınio, mas tambem deabrasivos, refratario, isoladores termicos, tintas e ceramicos de alta tecnologia.Na sequencia do processo de producao do alumınio, o aluminato de sodio precisa perder a aguaque se encontra quimicamente combinada em seu interior. Tal processo acontece nos calcinadoresnos quais e aquecido a temperaturas entre 1000oC e 1300oC formando a alumina (Al2O3).Para se obter o alumınio e preciso retirar esse oxigenio que esta dentro da alumina. Como essaligacao do oxigenio com o alumınio e muito forte, e impossıvel separa-lo utilizando os redutoresconhecidos, como o carbono, por exemplo, que e usado na reducao do ferro. Esse foi o problemaque impediu o uso desse metal ate pouco mais de cem anos atras. E isso foi resolvido com autilizacao de fornos eletrolıticos.O processo funciona da seguinte forma: a alumina e dissolvida dentro dos fornos eletrolıticos emum banho quımico a base de fluoretos. Os fornos sao ligados a um circuito eletrico, em serie,que fornece corrente contınua. No momento em que a corrente eletrica passa atraves do banhoquımico, ocorre uma reacao e o alumınio se separa da solucao e libera o oxigenio. O alumıniolıquido se deposita no fundo do forno e e aspirado a intervalos regulares por meio de sifoes.Depois disso, ele sera resfriado sob a forma lingotes, barras ou tarugos para ser utilizado naindustria de transformacao.O fluxograma a seguir apresenta todo o processo citado anteriormente.O processo para obtencao do alumınio e um processo caro. Para produzir 1kg de alumınioprecisa-se de tanta eletricidade quanto para deixar 250 lampadas de 100W acesas durante umahora.

Este fato explica porque e tao interessante reciclar alumınio. Para reciclar sucata de alumınio,basta aquece-la ate a temperatura de fusao que e 660oC. O alumınio derretido e transformadoem lingotes e vendidos as industrias que o utilizam.


Figura 4.12: Fluxograma do processo de obtencao do alumınio.

O alumınio e o metal que concorre diretamente com o aco em diversas aplicacoes e apresentauma serie de condicoes favoraveis ao seu emprego. Suas principais caracterısticas sao:

✓ E bastante leve e possui relacao resistencia-peso bastante elevada;

✓ Como consequencia de seu pequeno peso especıfico, oferece pequena resistencia a acel-eracao, absorvendo menos potencia;

✓ A resistencia a corrosao e elevada devido a camadas estaveis de oxidos que se formam aoar ou sob tratamentos especiais. Quanto mais puro o alumınio, maior e a sua resistenciaa corrosao. E resistente a acao da agua pura, do acido fosforico diluıdo, do acido nıtricoconcentrado, do dioxido de enxofre. E sensıvel a agua do mar, a solda e aos acidosinorganicos;

✓ Suas propriedades podem ser modificadas por elementos ligados;

✓ O alumınio e mole e ductil, mas pode ser endurecido por trabalho a frio, e certas ligas po-dem ser laminadas, forjadas, extrudadas, estampadas e fundidas em areia ou em coquilha.


✓ Pode ser tambem usinado, lixado e polido;

✓ Com elementos de liga, pode ser unido por todos os processos usuais: soldagem, rebitagem,colagem e brasagem. Excelente condutor de calor, sua condutividade termica e quatrovezes maior que a do aco. Sua superfıcie pode ser anodizada, envernizada e esmaltada;

✓ Sua condutividade eletrica e ausencia de magnetismo o tornam adequado para aplicacoesna industria eletrica.

O alumınio puro (aquele que possui 99% ou mais de alumınio), apesar de ter muitas quali-dades desejaveis, e realmente fraco e nao responde aos tratamentos termicos. A nao ser onde aresistencia e secundaria recorre-se ao alumınio puro.Tais caracterısticas o tornam indicado para a fabricacao de laminados muito finos, embalagens,latinhas de bebidas, recipientes para a industria quımica, cabos e condutores eletricos.Para melhorar ou modificar as propriedades do alumınio, adicionam-se a ele um ou mais ele-mentos quımicos formando suas ligas. Isso acontece depois que o alumınio puro e liquefeito saido forno eletrolıtico e vai para o forno de espera onde o elemento e adicionado.Os principais elementos de liga adicionados ao alumınio sao: cobre, manganes, silıcio, magnesio,zinco e estanho. A tabela a seguir apresenta as caracterısticas das principais ligas de alumınio.

Tabela 4.6: Influencia dos elementos de liga na aplicabilidade do alumınio.ELEMENTOADICIONADO

CARACTERISTICAS APLICACOES

Alumınio puro Ductilidade, condutividade eletricae termica, resistencia a corrosao.

Embalagens, folhas muito finas, re-cipientes para industria quımica,condutores eletricos.

Cobre Resistencia mecanica, resistencia aaltas temperaturas e ao desgaste,usinabilidade.

Rodas de caminhoes, rodas, estru-turas e asas de avioes, cabecotesde cilindros de motores de avioes ecaminhoes, pistoes e blocos de cilin-dros de motores.

Manganes Ductilidade, melhor resistenciamecanica a corrosao.

Esquadrias para construcao civil, re-cipientes para industria quımica.

Silıcio Baixo ponto de fusao, melhor re-sistencia a corrosao, fundibilidade.

Soldagem forte, pecas fundidas.

Silıcio com cobreou manganes

Resistencia mecanica ao desgaste ea corrosao, ductilidade, soldabili-dade, usinabilidade, baixa expansaotermica.

Chassis de bicicletas, pecas de au-tomoveis, estruturas soldadas, blocoe pistoes de motores, construcaocivil.

Magnesio Resistencia a corrosao em atmos-fera marinha, soldabilidade, usin-abilidade.

Barcos, carrocerias de onibus, tan-ques criogenicos.

Zinco Alta resistencia mecanica e baixopeso.

Pecas de avioes.

Zinco e magnesio Resistencia a tracao e a corrosao,soldabilidade, usinabilidade.

Brasagem.

Estanho Resistencia a fadiga e a corrosao poroleo lubrificante.

Capas de mancal, mancais fundidos,bielas.


Para organizar e facilitar a selecao das ligas de alumınio, a ABNT e outras associacoes denormas tecnicas classificam essas ligas de acordo com o processo de fabricacao e a composicaoquımica.Foram divididas em ligas para conformacao (ou ducteis) e ligas para fundicao. Essa divisao foicriada porque as diferentes ligas tem que ter caracterısticas diferentes para os diferentes proces-sos de fabricacao.As ligas para conformacao devem ser obrigatoriamente ducteis para serem trabalhadas a frio oua quente por processos de conformacao mecanica, como: laminacao, trefilacao, o forjamento eextrusao.As ligas sao comercializadas sob a forma de laminados planos (chapas e folhas), barras, arames,perfis e tubos extrudados e pecas forjadas.As ligas para fundicao devem ter resistencia mecanica, fluidez alem de estabilidade dimensionale termica para suportar os diferentes processos de fundicao em areia, e molde permanente porgravidade ou sob pressao.Tanto as ligas para a conformacao quanto as ligas para fundicao seguem um sistema de des-ignacao de acordo com a norma da ABNT NBR6834, conforme o principal elemento de ligapresente em sua composicao.A tabela a seguir apresenta a designacao das ligas de alumınio destinadas a conformacao.

Tabela 4.7: Designacao das ligas de alumınio para conformacao.ALUMINIO E SUA LIGAS PARA CONFORMACAO)

DESIGNACAO DA SERIE INDICACAO DA COMPOSICAO1XXX 99% mınimo de alumınio2XXX Cobre3XXX Manganes4XXX Silıcio5XXX Magnesio6XXX Magnesio e silıcio7XXX Zinco8XXX Outros elementos9XXX serie nao utilizada

Pela norma, os materiais para conformacao mecanica sao indicados por um numero de quatrodıgitos:

• o primeiro classifica a liga pela serie de acordo com o principal elemento adicionado;

• o segundo dıgito, para o alumınio puro, indica modificacoes nos limites de impureza: 0(nenhum controle) ou 1 a 9 (para controle especial de uma ou mais impurezas). Para asligas, se for diferente de zero indica qualquer modificacao na liga original;

• o terceiro e o quarto dıgitos, para o alumınio puro, indicam o teor de alumınio acima de99%. Quando se referem as ligas, identificam as diferentes ligas do grupo (e um numeroarbitrario).

No caso das ligas de alumınio para fundicao, segue-se a designacao apresentada na tabela aseguir:


Tabela 4.8: Designacao das ligas de alumınio para fundicao.ALUMINIO E SUA LIGAS PARA FUNDICAO)

DESIGNACAO DA SERIE INDICACAO DA COMPOSICAO1XX.X 99% mınimo de alumınio2XX.X Cobre3XX.X Silıcio e cobre e/ou magnesio4XX.X Silıcio5XX.X Magnesio6XX.X Serie nao utilizada7XX.X Zinco8XX.X Estanho9XX.X Outros elementos

Como e possıvel observar na primeira coluna, referente a designacao da serie, as ligas dealumınio para fundicao sao indicadas por tres dıgitos, um ponto e um dıgito. Da mesma formacomo nas ligas para conformacao, cada dıgito tem um significado:

• o primeiro dıgito classifica a liga segundo o elemento principal da liga;

• o segundo e o terceiro dıgitos; indicam centesimos da porcentagem mınima de alumınio(para o alumınio puro) ou diferentes ligas do grupo;

• o dıgito apos o ponto indica a forma do produto: 0 para pecas fundidas e 1 para lingotes.

4.2.2 COBRE E SUA LIGAS

O cobre foi o primeiro metal usado pelo homem. Os livros de historia mostram que 4000 anosantes de cristo, o homem ja fazia suas primeiras experiencias com esse metal.O cobre deve ter sido o primeiro metal usado pelo homem provavelmente pelas cores do minerio.Acostumados a trabalhar com a pedra para fazer seus instrumentos, eles devem ter imaginadoque aquilo tambem era uma pedra, so que mais bonita, sendo trabalhada atraves do forjamento.Descobriram entao que era um material mais mole e muito mais facil de se trabalhar. Obser-varam tambem que nao lascava e que, quanto mais batiam, mais dura ficava.Inicialmente, por causa da cor e da possibilidade de trabalhar o metal a frio, o homem deve terusado o cobre principalmente para fazer objetos de adorno; brincos, colares, pulseiras. Depois,percebendo as enormes possibilidades do material, passou a fabricar outros tipos de objetos:vasilhas, tacas, armas e ferramentas. No antigo Egito, por exemplo, cunhas e serras feitas decobre foram usadas na construcao das piramides.E encontrado na natureza em estado nativo e combinado formando minerios que podem seroxidos ou sulfetos, conforme apareca associado ao oxigenio ou ao enxofre. Os principais mineriosde cobre calcosita (sulfeto de cobre) e calcopirita (sulfeto duplo de ferro e cobre), cuprita (oxidode cobre).O tratamento metalurgico consiste simplesmente na reducao do minerio. Esta reducao e feitaem forno de cuba, onde reduz o minerio com combustıvel e fundente.Quando se trata o minerio sulfurado, o processo consiste numa ustulacao (aquecimento dominerio sem fusao) que elimina o enxofre. Em seguida procede-se a reducao, obtendo-se ocobre bruto que posteriormente deve ser refinado.O cobre e um metal nao-ferroso e nao magnetico que se funde a 1080oC e, depois da prata, e omelhor condutor de eletricidade e calor. E um metal ductil e maleavel que pode ser laminadoa frio ou a quente. Ao ser laminado a frio, estirado ou estampado, adquire um endurecimento


superficial que aumenta sua resistencia, porem diminui sua maleabilidade. Isso o torna maisfragil, o que e corrigido com o tratamento termico.Em contato com o ar seco e em temperatura ambiente, o cobre nao sofre alteracoes, isto e, nao seoxida. Em contato com o ar umido, no entanto, ele se recobre de uma camada esverdeada pop-ularmente conhecida por azinhave, ou ”zinabre”(hidrocarbonato de cobre). O zinabre impede aoxidacao do cobre, mas e prejudicial a saude. Por isso, recomenda-se lavar as maos sempre quese manusear pecas de cobre.O cobre e um metal relativamente escasso. Ha somente 0,007% de cobre na crosta terrestre e,como vem sendo usado ha milhares de anos, seu custo e alto em relacao a outros metais maisabundantes. Por isso, para muitas aplicacoes o cobre vem sendo substituıdo pelo alumınio.Por suas caracterısticas, o cobre e usado nas seguintes aplicacoes: componentes de radar, enro-lamento de rotores para geradores e motores, trilhas de circuitos impressos, caldeiras, tachos,alambiques, tanques, camaras de esterilizacao, permutadores de calor, radiadores e juntas paraindustria automotiva, pecas para aparelhos de ar condicionado e refrigeradores, condutores paragas e aguas pluviais, etc.Pode ser usado como elemento de liga, geralmente adicionado para aumentar a resistencia acorrosao. E o caso, por exemplo, do aco ao carbono: adiciona-se cobre ao aco quando se desejamelhorar sua resistencia a corrosao. Em relacao ao alumınio, a adicao de cobre confere a essaliga maior resistencia mecanica.Para melhorar as suas propriedades podem ser adicionados elementos de ligas que lhe conferemcaracterısticas diferenciadas. As principais ligas de cobre sao: bronze, latao e ligas de cobre-nıquel.

a) Bronze

A liga mais antiga que se tem conhecimento e o bronze. Formado por cobre (Cu) e estanho(Sn), foi descoberto provavelmente por puro acaso, pois esses metais podem ser encontradosjuntos na natureza. Isso aconteceu por volta de 4000 a.C. no Oriente Medio, na regiao ondehoje estao o Ira, a Jordania, O Estado de Israel, a Sıria e o Lıbano.Apresenta elevada dureza e boa resistencia mecanica e a corrosao, alem de ser bom condutor deeletricidade.Nas ligas usadas atualmente, a proporcao do estanho adicionado ao cobre e de ate 12%. Essavariacao e determinada pela utilizacao e, consequentemente, pelas propriedades que se queraproveitar.O bronze com ate 10% de estanho pode ser laminado e estirado e tem alta resistencia a tracao,a corrosao e a fadiga. As ligas com essa faixa de proporcao de estanho sao usadas na fabricacaode pecas para trabalhos pesados.O bronze, que contem mais de 12% de estanho, antigamente era usado na fabricacao de canhoese sinos.A liga de cobre e estanho que e desoxidada com fosforo, chama-se bronze fosforoso. Um bronzebastante utilizado e o que contem 98,7% de cobre e 1,3% de estanho. Esse tipo de bronze podeser conformado por dobramento, recalcamento, prensagem e forjamento em matrizes, sendofacilmente unido por meio de solda forte, de solfa de prata e solda por fusao. Suas aplicacoestıpicas estao na fabricacao de contatos eletricos e mangueiras flexıveis.A liga de bronze tambem pode receber pequenas quantidades de outros elementos como ochumbo, o fosforo ou o zinco. Quando se adiciona o chumbo, ha uma melhora na usinabili-dade. A adicao do fosforo oxida a liga e melhora a qualidade das pecas que sofrem desgaste porfriccao. O zinco, por sua vez, eleva a resistencia ao desgaste.O desenvolvimento da tecnologia dos materiais levou a criacao dos bronzes especiais que naocontem estanho. Essas ligas tem alta resistencia mecanica, resistencia ao calor e a corrosao.


Dentro desse grupo esta o bronze de alumınio que normalmente contem 13% de alumınio (Al).Ele e empregado na laminacao a frio de chapas resistentes a corrosao, na fabricacao de tubos decondensadores, evaporadores de calor; recipientes para a industria quımica; ferramentas para aconformacao de plasticos;, etc.O bronze ao silıcio, com ate 4% de silıcio (Si), apresenta alta resistencia a ruptura e altatenacidade. Essa liga e usada na fabricacao de pecas para a industria naval, pregos, parafusos,tanques para agua quente, tubos para trocadores de calor e caldeiras.O bronze ao berılio geralmente contem ate 12% de berılio (Be). E uma liga que tem altaresistencia a corrosao e a fadiga, relativamente alta condutividade eletrica e alta dureza, con-servando a tenacidade. Essas caracterısticas sao adquiridas apos o tratamento termico. Por suaalta resistencia mecanica e propriedades antifaiscantes, essa liga e especialmente indicada paraequipamentos de soldagem e ferramentas eletricas nao faiscantes.

b) LataoO latao e a liga de cobre (Cu) e zinco (Zn) que voce provavelmente associa a objetos de dec-oracao. E aquele metal amarelo usado em acabamento de moveis e fechaduras.Essa liga contem entre 5 e 45% de zinco. Sua temperatura de fusao varia de 800oC a 1070oC,dependendo do teor de zinco que ele apresenta. Em geral, quanto mais zinco o latao contiver,mais baixa sera a sua temperatura de fusao.O latao varia de cor conforme a percentagem do cobre presente na liga.E uma liga ductil e maleavel, alem de apresentar boa condutividade eletrica de calor. Tem boaresistencia mecanica e excelente resistencia a corrosao. Este material pode ser fundido, forjado,laminado e estirado a frio.Quando contem ate 30% de zinco, o latao e facilmente conformado por estiramento, corte, do-bramento, mandrilagem e usinagem. Pode ser unido por solda de estanho e solda de prata.O latao aceita quase todos os metodos de conformacao a quente e a frio e a maioria dos processosde solda. Nessa proporcao, o latao e usado para a fabricacao de cartuchos de municao, rebites,carcaca de extintores, tubos de trocadores de calor e evaporadores.O latao que tem entre 40 e 45% de zinco e empregado na fabricacao de barras para enchimentousadas na solda forte de acos-carbono, ferro fundido, latao e outras ligas.A fim de melhorar a resistencia mecanica, a usinabilidade e a resistencia a corrosao do latao,outros elementos de liga sao adicionados a sua composicao. Tem-se, portanto, os seguintes tiposespeciais de latao:O latao ao chumbo contem 1 a 3% de chumbo. Apresenta otima usinabilidade e e usado parafabricar pecas por estampagem a quente que necessitam de posterior usinagem.O latao ao estanho tem ate 2% de estanho e e altamente resistente a corrosao em atmosferasmarinhas. Por isso, e empregado na fabricacao de pecas para a construcao de barcos.O latao ao nıquel e usado no lugar do bronze para fabricar molas e casquilhos de mancais.

c) Ligas cobre-nıquel

As ultimas ligas da famılia de cobre sao aquelas em que o nıquel participa em proporcoesque variam entre 5 e 50%.Possuem boa ductilidade, boa resistencia mecanica e a oxidacao, e boa condutividade termica.Sao facilmente conformaveis, podendo ser transformadas em chapas, tiras, fios, tubos e barras.Elas podem ser unidas pela maioria dos metodos de solda forte e por solda de estanho.Com uma proporcao de ate 30% de nıquel, a liga e usada na confeccao de moedas e medalhas.As ligas com teores de nıquel na faixa de 35 a 57% recebem o nome de constantan e sao usadaspara a fabricacao de resistores.O cobre e suas ligas, assim como os outros metais, tambem tem suas formas comerciais padronizadas.


Isso se tornou necessario porque, com o desenvolvimento tecnologico, novas ligas foram surgindoe seu numero aumenta a cada dia.As ligas de cobre sao classificadas em dois grandes grupos: ligas ducteis, ou para conformacao, eligas para fundicao. Dentro dessas duas classificacoes, elas ainda sao designadas de acordo comsua composicao quımica. A norma brasileira onde isso esta estabelecido e a NBR 7554, que ebaseada na norma da ASTM (American Society for Testing and Materials) dos Estados Unidos.De acordo com essas classificacoes, as ligas ducteis sao designadas da seguinte maneira.

Tabela 4.9: Especificacao de ligas ducteis (para conformacao) de cobreCLASSE LIGA DESIGNACAO COMUMC1XXXX Cobre puro e ligas com alto teor de

cobreCobre

C2XXXX Cobre-Zinco LatoesC3XXXX Cobre-Zinco-Chumbo Latoes com chumboC4XXXX Cobre-Zinco-Estanho Latoes especiais com estanhoC5XXXX Cobre-Estanho BronzesC6XXXX Cobre-Alumınio,Cobre-Silıcio,

Cobre-Zinco (especiais)Bronzes de alumınio, bronzes de silıcio.Latoes especiais.

C7XXXX Cobre-Nıquel, Cobre-Nıquel-Zinco Alpacas.

As ligas sao identificadas pela letra C seguida de cinco algarismos. O primeiro ou doisprimeiros algarismos indicam a classe do material e os dois ultimos referem-se a identificacaodesse material.As ligas de fundicao, sao classificadas da seguinte maneira:

Tabela 4.10: Especificacao de ligas de cobre destinadas a fundicaoCLASSE LIGA DESIGNACAO COMUM

C80XXX a C81100 Cobre puro

C81XXX a C82XXX Ligas com elevado teor de cobre (exceto81100).

Cobre com pequenas adicoes.

C83XXX a C84XXX Cobre-Estanho-Zinco com ou sem chumbo Bronzes especiais

C85XXX Cobre-Zinco(com ou sem chumbo). Latoes.

C86XXX Cobre-Zinco Latoes especiais com elevada re-sistencia mecanica.

C87XXX Cobre-Silıcio Bronze de silıcio.

C90XXX a C91XXX Cobre-Estanho,Cobre-Estanho-Zinco comteor de zinco inferior ao do estanho.

Bronzes. Bronzes especiais.

C92XXX Cobre-Estanho com chumbo;Cobre-Estanho-Zinco com chumbo e teor dezinco inferior ao do estanho.

Bronzes;bronzes especiais.

C93XXX a C945XX Cobre-Estanho com elevado teor dechumbo;Cobre-Estanho-Zinco com elevadoteor de chumbo.

Bronzes.Bronzes especiais.

C947XX a C949XX Cobre-Estanho-Nıquel com outros elemen-tos

Bronzes com Nıquel.

C95XXX Cobre-Alumınio Bronzes de Alumınio.

C96XXX Cobre-Nıquel-Ferro

C97XXX Cobre-Nıquel-Zinco com outros elementos. Alpacas

C98XXX Cobre-Chumbo

C99XXX Ligas diversas


4.2.3 NIQUEL E SUAS LIGAS

O nıquel e um metal branco brilhante e faz parte do grupo dos metais mais antigos conhecidospelo homem. Apresenta todas as qualidades mecanicas e tecnologicas que se pode exigir de ummetal: maleabilidade, fusibilidade, soldabilidade, aliada a boa resistencia mecanica e tenacidade.Seu minerio e a garnierita e o processo de extracao se faz de modo semelhante ao do cobre, sendoo nıquel bruto submetido, na ultima fase, a um refino eletrolıtico.Devido ao alto custo, os metais nao-ferrosos e suas respectivas ligas tem uso limitado aplicacoesespeciais. No caso do nıquel, por exemplo, as ligas custam de vinte a cem vezes mais que osacos inoxidaveis.Sao utilizadas em aplicacoes que necessitam de material com alta resistencia a corrosao e aocalor.E um metal versatil, capaz de formar ligas com inumeros metais, inclusive o aco. A tabela aseguir reune as caracterısticas adquiridas pelo nıquel com a adicao de cada elemento de liga esua respectiva utilizacao.

Tabela 4.11: Influencia da adicao de elementos na formacao das ligas de nıquel.ELEMENTOADICIONADO

INFLUENCIA APLICACOES

Cobre Nas ligas monel, aumenta a re-sistencia a corrosao e a resistenciamecanica;reduz o custo nas ligas decromo ferro e molibdenio;em teoresem torno de 2% reduz a acao corro-siva em meios acidos e oxidantes.

Equipamento de processamentode produtos de petroleo epetroquımicos;aquecedores deagua e trocadores de calor;valvulas,bombas, eixos, parafusos, helicese fixadores usados em construcaonaval.

Cromo Eleva a resistencia a corrosaoem meios oxidantes e resistenciamecanica em altas temperaturas.

Equipamentos de processamentoquımico, equipamentos de trata-mento termico; geradores de vapor,componentes de fornos; equipamen-tos de controle de poluicao; compo-nentes de equipamentos eletronicos.

Ferro Reduz o custo das ligas;aumenta aresistencia a corrosao associada acavitacao e a erosao.

Equipamentos de processamentoquımico, equipamentos de trata-mento termico; geradores de vapor,componentes de fornos; equipamen-tos de controle de poluicao.

Molibdenio Eleva a resistencia a corrosaoem meios redutores;aumenta a re-sistencia mecanica em altas temper-aturas.

Componentes de turbinas a gas e demotores aeronauticos; equipamen-tos de processamento quımico.

Cromo-Ferro+ Alumınio eTitanio.

Permitem a realizacao de trata-mento termico de solubilizacao eprecipitacao para endurecimento daliga.

Liga experimental para industriaaeronautica.

Estas ligas apresentam elevada resistencia a corrosao, a maioria dos acidos minerais e organicos,bem como alcalis. Otima resistencia ao desgaste, baixa condutividade termica e sao resistentesa corrosao provocada pelo vapor ou vapores contaminados por agentes quımicos.As ligas de nıquel podem classificadas, segundo suas aplicacoes, em seis grupos:


a. Ligas resistentes a corrosao Sao ligas de boa resistencia mecanica e ductilidade. Dentreelas destacam-se:

(1) Monel B (Ni, Fe, Cu, Mn, Si, C) I Muito resistente a corrosao, calor, competindocom o aco em muitas aplicacoes.

(2) Monel R (Ni, Fe, Cu, Mn, S) I O enxofre facilita a usinagem em funcao da reducaoda resistencia mecanica e tenacidade. Apresenta boa ductilidade, sendo, portanto,quebradico a quente.

(3) Monel K (Ni, Fe, Cu, Mn, Al) I Tratavel termicamente. Alta resistencia mecanica.Excelente resistencia a corrosao.

(4) Hastelloy (Ni, Cr, Fe, Mo) I Liga com alta resistencia ao acido clorıdrico.

b. Ligas de alta resistividade eletrica e resistencia ao efeito de aquecimento Sao ligas empre-gadas para resistencias eletricas e em partes sujeitas a temperaturas elevadas. As principaissao:

(1) Nichrome e Cromel (Ni, Cr) IResistente ao calor e a oxidacao, usada como resistencia(ate 1000oC).

(2) Inconel (Ni, Al, Si, Mn) I Liga resistente ao calor.

c. Ligas com propriedades especıficas de dilatacaoAs ligas desta famılia mais conhecidas sao:

(1) Platinite e Dumet (Ni, Fe) I Possuem coeficientes de dilatacao proximos ao daplatina.. Pode ser utilizada em soldas de vidros moles.

(2) Invar (Ni, Fe) I Possuem baixıssimo coeficiente de dilatacao em temperaturas ele-vadas.

d. Ligas para Telecomunicacoes Sao ligas com otimas caracterısticas magneticas. As princi-pais sao:

(1) Permalloy (Ni, Fe) I Alta permeabililidade para baixas intensidades de campo. Re-quer tratamento termico especial.

(2) Hipernik (Ni, Fe) I Alta permeabilidade para intensidade de campo mais elevado.

(3) Perminvar (Ni, Fe, Co) I Permeabilidade constante em campos magneticos fracos.

e. Ligas magneticas Sao ligas utilizadas na producao de ımas permanentes. Alnico (Ni, Mn)I Ligas nao maleaveis. Existem sob a forma de pecas fundidas e sinterizadas.

f. Ligas especiais

(1) Constantan (Ni, Cu) I Condutividade eletrica praticamente nula.

(2) Klinvar (Ni, Cr, Fe) I Apresentam modulo de elasticidade constante em ampla zonade temperatura. Empregado em engrenagens de relogio e dispositivos de sincronizacaopara radios.

4.2.4 MAGNESIO E SUAS LIGAS

O magnesio, cujo sımbolo quımico e Mg, e caracterizado por sua leveza, pois tem um quinto dadensidade do ferro. Funde-se a 651oC e oxida-se com facilidade. A maior utilizacao do magnesio(50%) e como elemento de liga do alumınio. E usado tambem na fabricacao de ferro fundidonodular e na reducao de metais (35%). Somente 15% sao usados na fabricacao de produtos.


As ligas de magnesio podem ser fundidas ou conformadas por laminacao, forjamento ou ex-trusao. Elas tem como caracterısticas baixa densidade, alta resistencia e dureza em baixas ealtas temperaturas e elevada resistencia a corrosao em temperatura ambiente. As propriedadesmecanicas de algumas delas podem ser melhoradas por tratamento termico.

4.2.5 CHUMBO

O chumbo e um metal de cor acinzentada, pouco tenaz, porem ductil e maleavel. E bom condutorde eletricidade, embora nao seja magnetico, mau condutor de calor e se funde a 327oC.Seu minerio e a galena (PbS). Quando a galena nao e muito pura o metodo de extracao do chumboconsiste na previa ustulacao do minerio em fornos de reverbero, seguida de uma reducao porintermedio de agentes redutores processada num forno de cuba. O redutor pode ser o ferro quese transforma em sulfato de ferro, deixando o chumbo em estado livre.E facilmente laminado, pois e o mais mole dos metais pesados. Pode ser endurecido em liga comenxofre (S) ou antimonio (Sb). E resistente a agua do mar e aos acidos, mas e fortemente atacadopor substancias basicas. Oxida-se com facilidade em contato com o ar. Outras propriedades quepermitem grande variedade de aplicacoes sao: alta densidade, flexibilidade, alto coeficiente deexpansao termica, boa resistencia a corrosao, condutibilidade eletrica, facilidade em se fundir eformar ligas com outros elementos.O chumbo e usado como isolante acustico e amortecedor de vibracoes. Pode ser laminado aespessuras de ate 0,01 mm.E um metal amplamente utilizado como base nas ligas anti-friccao, que sao utilizadas comomaterial para confeccao de mancais. As ligas de chumbo com esta finalidade sao denominadas”metais babbitt”.O chumbo tambem pode ser utilizado como metal de adicao na formacao de ligas destinadas aconfeccao de soldas fracas, amplamente utilizadas na industria de eletro-eletronicos.Permite a reciclagem de sua sucata. No Brasil, o reaproveitamento dessa sucata corresponde aum terco das nossas necessidades dessa materia-prima.

4.2.6 TITANIO E SUAS LIGAS

O titanio e um metal nao-ferroso que ganhou importancia estrategica ha somente 40 anos porsua alta resistencia mecanica, alta resistencia a corrosao e tem por volta de 55% da densidade doaco. O fato mais interessante a respeito do titanio e que, embora exista em grande quantidadena crosta terrestre, o custo de sua obtencao e muito alto.Em contato com o ar, forma-se em sua superfıcie um oxido impermeavel e protetor muitoimportante se ele estiver em meio corrosivo. Disso decorre sua propriedade mais importante: aresistencia a corrosao da agua do mar e outras solucoes de cloretos, aos hipocloritos e ao cloroumido e a resistencia ao acido nıtrico. Essa qualidade torna-o ideal para a fabricacao de proteseshumanas tais como componentes de valvulas cardıacas, placas e pinos para unir ossos, pois osfluidos que existem dentro do nosso corpo sao solucoes salinas, com PH acido. Elas tambemcontem outros acidos organicos aos quais o titanio e imune.Os elementos que sao adicionados as ligas resistentes a corrosao sao: paladio (Pd), molibdenio(Mo), alumınio (Al), nıquel (Ni), manganes (Mn), vanadio (V) e estanho (Sn). Essas ligas saousadas na fabricacao de proteses.Ligas de titanio com alumınio e estanho e alumınio e vanadio sao usadas em aplicacoes muitoespeciais, pois apresentam resistencia especıfica, ou seja, relacao resistencia mecanica / pesomuito elevada em temperaturas abaixo de zero (entre -196 e -269oC).


4.2.7 ZINCO

O zinco e um metal nao-ferroso, cujo sımbolo quımico e Zn. Funde-se a 420oC e e produzidoa partir da blenda e da calamina. Tratando-se da blenda, a operacao metalurgica consiste emustula-la e com a calamina consiste em calcina-la a fim de se obter oxido de zinco. Em seguidafaz-se a reducao do oxido.E condutor de eletricidade, mas e um metal nao-magnetico. O ar seco nao o ataca. O ar umido,porem, causa formacao de uma pelıcula de oxido que protege o material. E mais barato que amaioria dos metais nao-ferrosos.Possui a resistencia a tracao da mesma ordem do alumınio ou do magnesio, mas nao apresentaa vantagem de possuir a baixa densidade destes metais. Sua densidade se aproxima mais do acoe do cobre, mas lhe falta a resistencia mecanica desses metais.O zinco e empregado como pigmento em tintas, como elemento de liga com o cobre, na producaodo latao e, sobretudo, para proteger outros metais, principalmente o aco, por meio da galva-nizacao.Pode ser utilizado como metal de base na formacao de ligas destinadas a fundicao, sobretudoem fundicao sob pressao e por gravidade. O emprego de Zn eletrolıtico (com 99,99% de pureza)nas ligas elimina as variacoes dimensionais das pecas fundidas e a corrosao intergranular. Asprincipais ligas de zinco sao:

a. SAE 921 (Zamak 2) Apresenta a mais elevada resistencia a tracao e a maior dureza detodas as ligas desta serie. Esta liga e empregada em casos em que a resistencia a tracao emais importante do que a permanencia de dimensoes e a resistencia ao impacto.

b. SAE 903 (Zamak 3) Possui melhores caracterısticas de permanencia as dimensoes que asdemais ligas desta serie, alem de alta ductilidade.

c. SAE 925 (Zamak 5) Tem as suas propriedades intermediarias entre 921 e 903 no que dizrespeito as caracterısticas mecanicas. Empregada nos casos da liga 921 quando se desejamaior resistencia a corrosao.

4.2.8 ESTANHO

O estanho e um metal branco brilhante, bastante maleavel e o mais fusıvel dos metais usuais,apresentando ponto de fusao de 235oC.Seu sımbolo quımico e Sn e e extraıdo da cassiterita (SnO2). E resistente a corrosao, bomcondutor de eletricidade, porem nao-magnetico.O estanho tem vasto emprego como material protetor. A folha de flandres empregada na fab-ricacao de latas de conserva, consiste de chapas finas de ferro cobertas a fogo com uma camadafina de estanho. Combina a resistencia do aco com a resistencia a corrosao, a facilidade desoldagem e a boa aparencia do estanho.As ligas Sn-Zn e Sn-Ni sao utilizadas na estanhagem de pecas para motocicletas e automoveis,ferramentas, partes de instrumentos cientıficos de precisao.Ligas anti-friccao podem ser obtidas a base de estanho. Apresentam plasticidade e aderenciamuito grandes, sendo utilizadas como materiais para confeccao de mancais. Comparadas comoutros materiais com esta finalidade, essas ligas apresentam resistencia a fadiga relativamentebaixa, de modo que sao mais recomendadas para condicoes de baixa carga. Entretanto, suaresistencia a corrosao e bem maior que a das ligas a base de chumbo.O estanho puro e associado com antimonio e cobre e materia-prima para a producao de materialde solda.

Capıtulo 5

MATERIAIS POLIMERICOS

Polımeros sao materiais obtidos a partir da sıntese quımica de materia organica de origem vegetalou mineral. Sao formados pela uniao de centenas de moleculas menores que devem possuir pelomenos uma dupla ligacao de certos compostos quımicos denominados monomeros. Devido a suaorigem organica, o carbono e o elemento fundamental de todos os materiais polimericos. Emgeral, tem-se a combinacao de um atomo de carbono com quatro atomos de outros elementosquımicos. A uniao das moleculas dos monomeros pode realizar-se fundamentalmente por tresmaneiras: polimerizacao, copolimerizacao e por policondensacao.

a. Polimerizacao Consiste na aplicacao de calor, pressao, utilizacao de processos quımicos eaditivos, de modo a resultar estruturas em forma de cadeia. Um exemplo de um monomeroe o gas etileno (C2H4) e exemplos de polımeros sao o polietileno e o polipropileno conformeapresentado na Figura 5.1.

Figura 5.1: Um monomero (a) e dois tipos de polımeros que sao produzidos a partir dele (b) e(c)

b. Copolimerizacao Consiste na combinacao de dois grupos de monomeros diferentes porpolimerizacao. A esta operacao de polimerizar os monomeros, previamente misturados, sechama copolimerizacao e copolımeros as resinas obtidas.

c. Policondensacao Alguns compostos quımicos, como o fenol ou o formaldeıdo nao polimer-izam isoladamente. A este processo se denominou policondensacao porque na operacao sedesprendem algumas moleculas de agua.

O produto resultado dos processos mencionados acima sao as resinas basicas que funcionamcomo materia-prima para a producao de dois grandes grupos de materiais: os plasticos e oselastomeros.

5.1 PLASTICOS

A melhor definicao para materiais plasticos, foi dada pela Britsh Standards Institute (InstitutoBritanico de Padroes) que diz:

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”Plastico e definido como um grande grupo de materiais solidos, compostos eminente-mente organicos, usualmente tendo por base resinas sinteticas ou polımeros naturaismodificados e que possuem, em geral, apreciavel resistencia mecanica.”

O plastico original, nitrocelulose, e oriundo da celulose usualmente na forma de polpa demadeira, enquanto o fenol e formaldeıdo, necessario a confeccao da resina fenol-formaldeıdo,sao obtidas a partir do carvao. Hoje, a enfase tem sido transferida, muito amplamente parao petroleo e o gas natural, sendo grande parte da producao de plasticos baseada nestas duasmaterias-primas.Sao constituıdos pelas chamadas resinas basicas, oriundas do processo de polimerizacao, copolimer-izacao e policondensacao, que sao as verdadeiras substancias plasticas. Adicionam-se a estaresina, uma serie de compostos quımicos, denominados aditivos, que modificam ou reforcam aspropriedades da resina.Os aditivos citados, sao substancias tais como:

☞ Estabilizadores: que controlam a degradacao pela luz e calor;

☞ Materiais de enchimento: que melhoram a resistencia do material;

☞ Plastificantes: que reduzem a sua fragilidade e os tornam flexıveis.

Os materiais plasticos, assim como os materiais metalicos devem apresentar um conjunto depropriedades que os tornem uteis para determinadas aplicacoes:

✓ Caracterısticas oticas, como cor e transparencia;

✓ Termicas ou de resistencia ao calor;

✓ Eletricas ou resistencia dieletrica;

✓ Mecanicas ou resistencia mecanica;

✓ Quımicas ou resistencia a acao de moleculas estranhas.

Alem dessas, outras duas propriedades sao particularmente importantes nos materiais plasticos:temperatura de empenamento e temperatura recomendada de servico.Os plasticos sao materiais anisotropicos. Em extrusao, por exemplo, a resistencia na direcao daextrusao pode ser 30 a 40% mais elevada do que na direcao transversal. Se uma estrutura oufibra e utilizada como reforcador, esta diferenca pode ainda ser mais elevada.Os plasticos sao classificados segundo duas categorias do ponto de vista tecnico: como ter-moplasticos ou como termofixos (ou termoestaveis). a tabela a seguir apresenta suas principaisdiferencas.

Tais diferencas comportamentais entre termoplasticos e termofixos tem sua explicacao naforma pela qual as cadeias moleculares sao formadas a partir dos monomeros. A Figura 5.2mostra que termoplasticos podem apresentar cadeias lineares e ramificadas, enquanto que ostermofixos apresentam cadeias reticuladas (ou em rede).

As tabelas a seguir apresentam alguns dos mais comumente utilizados termofixos e ter-moplasticos com suas respectivas caracterısticas e aplicacoes.


Tabela 5.1: Classificacao de materiais plasticos.Material CaracterısticasTermoplasticos Sao materiais plasticos que nao sofrem alteracao quımica sob a acao

quımica do calor e da pressao. Podem, portanto, serem amolecidosrepetidas vezes e moldados para as formas desejadas. Sofrem alteracoescom a temperatura e amolecem a partir de 60oC.

Termofixos Os materiais termoestaveis, ao contrario dos termoplasticos, nao po-dem ser amolecidos e remoldados. Sofrem modificacoes quımicas com ocalor, e a sua temperatura de amolecimento e bastante elevada (acimade 250oC).

Figura 5.2: (a)Molecula linear. (b)molecula ramificada (c)polımero em rede, como em plasticostermoestaveis (ou termofixos).


Tabela 5.2: Caracterısticas e aplicacoes tıpicas dos materiais termoplasticos.TERMOPLASTICOS

NOME CARACTERISTICA PRINCIPAIS AMPLICACOESAcrilonitrila - butadieno - es-tireno (ABS)

Excelente resistencia mecanicadureza, resistente a distorcaopelo calor, boas propriedadeseletricas, inflamavel e soluvel emalguns solventes organicos

Forro para refrigeradores,equipamentos para jardinagem,brinquedos, protecoes em auto-estradas, la sintetica, tapetes,etc.

Acrılico (metacrilato de metila) Extremamente transparentee resistencia e degradacaopela luz solar e a maioria dassubstancias quımicas, pro-priedades mecanicas razoaveis

Lentes, janelas transparentes deaeronaves, material de desenho.

Fluorcarbonos (PTFE (Teflon),TFE)

Quimicamente inerte, excelentespropriedades eletricas, baixo coe-ficiente de atrito, pode ser usadoa ate 260oC

Selos anticorrosivos, tubose valvulas para substanciasquımicas, tintas antiadesivas,partes eletronicas de alta tem-peratura, revestimento internode panelas.

Poliamidas (Nylon) Boas propriedades mecanicas, re-sistencias a abrasivos, baixo coe-ficiente de atrito, absorve agua emuitos lıquidos

Engrenagens, tecidos, cordas, es-covas, para-quedas.

Policarbonatos Dimensoes estaveis, baixa ab-sorcao de agua, transparente, ex-celente resistencia ao impactoe alta ductibilidade, otima re-sistencia quımica

Capacetes de seguranca, lentes,globos de luz, base para filme fo-tografico.

Polietileno (PE) Resistencia quımica, isolanteeletrico, boa dureza, coeficientede atrito relativamente baixo

Brinquedos, garrafas flexıveis,copos, bandejas de gelo, embala-gens, baldes, sacos de lixo, sacosde embalagens.

Polipropileno (PP) Resistencia a distorcao a quentee a fadiga, quimicamente inerte,relativamente barato, pouca re-sistencia a luz ultra-violeta

Embalagens de filmes, materialesterelizavel, gabinetes de TV,malas, cadeiras, poltronas, para-choques de automoveis.

Poliestireno (PS) Excelentes propriedades eletricase opticas, boas estabilidadestermicas e dimensional, relativa-mente barato

Caixas de bateria, aplicacoesdomesticas, brinquedos,paineis luminosos, materiaisdescartaveis,

isopor Vinil Baixo custo, pouca rigidez, maspode torna-se flexıvel quandoadicionados plastificantes,suscetıvel a distorcao pelo calor

Revestimentos de pisos, canos,isolantes eletricos, mangueiras dejardim, gravacoes fonograficas

Poliester Um dos filmes plasticos mais re-sistentes, resistencia a: fadiga,rasgo, umidade, acidos, graxas,oleos solventes

Gravacoes magneticas, roupas,automoveis, recipientes para be-bidas


Tabela 5.3: Caracterısticas e aplicacoes tıpicas dos materiais termoestaveis.TERMOFIXOS

NOME CARACTERISTICA PRINCIPAIS AMPLICACOESEpoxis Excelente combinacoes entre pro-

priedades mecanicas e resistencia acorrosao, dimensionalmente estavel,boa adesao, relativamente barato, boaspropriedades eletricas

Moldes eletricos, tintas protetoras,Fiberglass

Fenolicos Excelente estabilidade termica acimade 150 C, pode ser composto de variasresinas, barato.

Alongamento para motores, telefones,instalacoes eletricas.

Poliester Excelente propriedades eletricas, baixocusto, pode ser usado a altas temper-aturas.

Capacetes, ventiladores, barcos defiberglass, componentes para au-tomoveis, cadeiras.

5.2 ELASTOMEROS

De um modo geral, elastomeros, semelhantes a borracha, sao materiais que possuem a pro-priedade de readquirir o seu tamanho inicial apos terem sofrido uma grande deformacao, dentrode um perıodo relativamente curto. Como material de construcao, desejam-se dos elastomeros:

• Grande elasticidade;

• Pequena rigidez, isto e, pequenas tensoes para grandes deformacoes;

• Grande resiliencia, isto e, capacidade de restituir a energia recebida com pequena perda.

O comportamento elastico que deve ser dependente do tempo, isto e, deve existir um inter-valo finito de tempo para o material retornar a sua forma primitiva.Sua dureza e um dos dados mais comumente citados. Dentro de uma faixa de precisao relati-vamente larga, pode-se relacionar o modulo de elasticidade do elastomero a sua dureza. Essesvalores podem ser adotados, onde a precisao nao seja essencial.Os elastomeros sao raramente utilizados com carregamento de tracao, no entanto esse carrega-mento e comumente usado para efeitos comparativos. Valores pequenos indicam tambem valorespequenos para as demais propriedades mecanicas, o mesmo ocorrendo para valores elevados.Dentre os elastomeros os mais conhecidos sao:

a) Borracha natural A borracha natural e uma resina de grande variedade de arvores eplantas, mas especialmente Hevea brasiliensis.

A borracha crua nao tem a elasticidade e outras propriedades da borracha comercial. Esta epurificada e vulcanizada pelo seu aquecimento junto com enxofre varia de 3 a 3,5%, dependendoda classe da borracha desejada. Os fatores mais importantes da borracha sao elasticidade eflexibilidade, mas tambem sao importantes as suas propriedades de adesao e de resistencia aagua. Sua flexibilidade mantem-se ate aproximadamente −55oC. Pela modificacao na suacomposicao pode-se cobrir uma faixa larga de condicoes, inclusive alta resiliencia e resistenciamecanica. O principal inconveniente da borracha natural e a sua fraca resistencia aos oleosminerais.

b) Borracha sintetica Nao e propriamente borracha, mas sim um produto semelhante.Nao tem a mesma elasticidade, mas e mais resistente a ruptura, ao envelhecimento, ao calor, aooleo e aos agentes quımicos.


Tabela 5.4: Propriedades comparativas de materiais plasticos.Propriedade Baixa Media Alta

Termo-plastico

Termo-estavel

Termo-plastico

Termo-estavel

Termo-plastico

Termo-estavel

Densidade OlefınicosABS

UretanosPoliester

NailonOxidos po-lifenılenosEstirenosCarbonatosAcrılicosCelulosicosSulfonas

AlılicosAminosSiliconesEpoxis

Fluoro-plasticosVanılicosAcetaisPolimıdios

AlguinosFenolicos

Resistenciaa tracao

OlefınicosFluoro-plasticos

SiliconesUretanos

EstirenosABSCelulosicosVinılicos

FenolicosAminosAlquidosAlılicos

NailonsPolimidosCarbonatosAcrılicosAcetaiOxidos po-lifenilenos

EpoxisPoliesteres

Rigidez(modulode elastici-dade)

OlefınicosFluoro-plasticos

Uretanos CarbonatosCelulosicosVinılicosABSOxidos po-lifenılenosSulfonas

PoliesteresAminosAlılicosAlquidos

AcrılicosEstirenosAcetaisPolimidosNailons

FenolicosSiliconesEpoxis

Resistenciaao choque

EstirenosSulfonasAcrılicosOxidos po-lifenılenos

Aminos CelulosicosPolipropilenoABS Es-tirenosAcetaisNailons

AlquidosEpoxisSiliconesPoliesteres

CarbonatosVinil(PVC)Polie-stirenos

Fenolicos

Resistividadeeletrica

AcetaisCelulosicosNailonsVinılicosAcrılicos

FenolicosPoliesteres

Oxidos po-lifenılenosSulfonasCarbonatosABS

SiliconesAminosAlquidos

EstirenosFluoro-plasticosOlefınicos

EpoxisAlılicos

Emprego aaltas tem-peraturas

CelulosicosVinılicosEstirenosPolietilenosAcetaisABSAcrılicos

NailonsCarbonatosPropilenos

Poiesteresalquidos

PolimidosFluoro-plasticosOxidos po-lifenılenosSulfonas

SiliconesAlılicosAminosEpoxis


c) Buna S Sua designacao e formada pelas primeiras sılabas de Butadieno e Natrium(sodio), componente principal e catalisador utilizado originalmente. E tambem conhecida porSBR (Styrene-Butadiene-Rubber). A Buna S apresenta excelente resistencia ao envelhecimento,quando composta covenientemente. Em comparacao com a borracha natural, tem menor re-sistencia a tracao e ao calor e menor resiliencia. E ainda um material de custo relativamentebaixo.

d) Borracha butılica Apresenta grande impermeabilidade a gases, o que indica o seu em-prego em selos de vedacao, principalmente para vacuo. Apresenta ainda excelentes propriedadesdieletricas, boa resistencia ao cisalhamento, mesmo envelhecida e em temperaturas elevadas.Tem excelente resistencia as condicoes atmosfericas, luz do sol e oleos animais e vegetais etambem ao cisalhamento, flexao, abrasao e corte.

e) Borracha nıtrica Apresenta excelente resistencia aos oleos, baixa solubilidade e in-chamento e boa resistencias a tracao e abrasao. Tem boa resistencia a varios solventes comuns,excetuando-se alguns, como acetona e benzina. As borrachas nitrılicas nao devem ser guardadasnas proximidades de qualquer fonte de ozonio (motor, luz solar direta, etc.).

f) Borracha poliuretano Possui extraordinaria resistencia a abrasao e ao rasgamento,assim como aos derivados do petroleo, aos hidrocarbonetos clorados, acetonas, vapor e aguaquente. Apresenta excelente resistencia a tracao e cisalhamento.

g) Neoprenos (borracha cloropreno) Na verdade Neopreno e marca comercial do pro-duto, mas a pratica vem adotando essa designacao para a borracha cloropreno. E um otimoproduto, aplicavel para varias finalidades. Apresenta boa resistencia aos oleos, a oxidacao, aoenvelhecimento, ao ozonio, a luz solar e a abrasao. E aplicavel a altas temperaturas, mas naopara as baixas, quando entao apresenta tendencia ao endurecimento.

h) Borracha siliconica Suas propriedades se mantem por larga faixa de temperatura,sendo utilizavel as baixas temperaturas, como −70oC (ainda com boa flexibilidade), ate aprox-imadamente 230o C. Apresenta otima resistencia ao ozonio, certos produtos quımicos e oleos.Nao e recomendavel seu uso com hidrocarbonetos, como querosene e parafina, oleos mineraisleves. Seu custo e mais elevado que dos outros elastomeros comuns.

i) Fluocarboneto Existe grande serie de borrachas desse tipo, produzidas para atendera aplicacoes especıficas, com grande resistencia quımica e para altas temperaturas, tais como200 a 250oC, em servico contınuo.

Capıtulo 6

MATERIAIS CERAMICOS

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Capıtulo 7

MATERIAIS COMPOSITOS

58

tecnologia dos materiais

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