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ETEC – JOÃO GOMES DE ARAÚJO

1 TECNOLOGIA MECÂNICA I

Agosto 2009

TECNOLOGIA MECÂNICA I CURSO TÉCNICO EM MECÂNICA

Elaboração: Professora Maria Cristina Carrupt Ferreira Borges

CONTEÚDO DA APOSTILA

Propriedades dos Materiais

Propriedades físicas e químicas. Elasticidade, plasticidade, resistência

mecânica, dureza, ductilidade, tenacidade, fragilidade e resiliência.

Materiais Metálicos Ferrosos

Átomos e ligações atômicas, Estrutura cristalina,

Alotropia ou polimorfismo, Soluto, Solvente, Limite de solubilidade

Solução sólida – substitucional e intersticial,

Solidificaficação de um metal, formação de cristais e grãos,

Diagrama Fe-C e microestruturas dos aços

Processo de Fabricação dos aços

Definição de aço, Preparação da matéria prima: sinterização e

coqueificação

Produção do ferro gusa – alto forno

Produção do aço – aciaria e tipos de conversores e fornos elétricos

Refino, Lingotamento, Conformação mecânica – laminação a quente.

Classificação e Propriedades dos Aços e Ferros Fundidos

Aços carbono, Aços liga, Aços inoxidáveis e Aços ferramentas

Tipos de Ferros Fundidos (branco, cinzento, maleável e nodular).

Metais Metálicos não Ferrosos – propriedades, classificação e aplicações

Ligas de alumínio, ligas de cobre, ligas de zinco e ligas de titânio.

Materiais Não Metálicos – propriedades, classificação e aplicações

Materiais cerâmicos, polímeros e compósitos.



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Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção

de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas

propriedades.

Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas

propriedades podem ser classificadas em dois grupos:

- Físicas;

- Químicas.

Propriedades Físicas

É a capacidade de sofrer deformação (alteração na forma), sem sofre mudança na

composição química.

Ex.: Se colocarmos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico

amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua

composição química inalterada.

Propriedades Químicas

Quando existe alteração na composição química.

Ex.: uma barra de aço (ferro + carbono) exposta ao tempo sofre corrosão –

formação de óxido de ferro. Com isso, a composição da barra de aço passa a ser

ferro + carbono + óxido de ferro.

A resistência à corrosão é uma propriedade química.

Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se

referem à forma como os materiais reagem aos esforços externos, apresentando

deformação ou ruptura.

As principais propriedades mecânicas são: elasticidade, plasticidade, resistência

mecânica, dureza, ductilidade, fragilidade, tenacidade e resiliência.

ELASTICIDADE

Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua

forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava.

Associada à elasticidade está a deformação elástica (deformação temporária).

1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS



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PLASTICIDADE

É a capacidade que um material tem de apresentar deformação permanente

apreciável, sem se romper.

Associada à plasticidade está a deformação plástica (deformação permanente).

RESISTÊNCIA MECÂNICA

É a capacidade que o material tem de suportar a esforços externos (tração,

compressão, dobramento etc.), sem se romper.

Veja a seguir, a representação desses esforços externos.

DUREZA

Para um metalurgista, dureza significa a resistência à deformação plástica

(deformação permanente).

DUCTILIDADE

Pode ser considerado o inverso da dureza, para os metalurgistas. É a capacidade

que um material tem de aceitar a deformação plástica. Quanto maior for o grau

Para os mecânicos, dureza é a resistência à

penetração de um material duro, em outro

(princípio do ensaio de dureza).



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de deformação plástica que se consegue, sem que ele se rompa, maior é a

ductilidade do material.

Dessa forma, quanto mais duro for o material, menos dúctil ele será.

TENACIDADE

Tenacidade é a capacidade que o material tem de absorver energia durante o

impacto e transformá-la em deformação plástica.

Uma forma de exemplificar a tenacidade é comparando o material da carroceria

dos carros antigos com as dos novos. Nos carros antigos, esse material

apresentava dureza e resistência mecânica elevadas. Porém, durante uma

batida, devido a sua baixa tenacidade, não eram capazes de absorver energia

para a deformação plástica (eles quase não amassavam) e a energia do impacto

era transferida para o motorista. Nos carros de hoje, o material da carroceria

possui elevada tenacidade e, com isso, durante um impacto absorvem a energia e

a transformam em deformação plástica.

A tenacidade e a ductilidade andam sempre juntas. Materiais que apresentam

boa ductilidade terão boa tenacidade.

FRAGILIDADE

Materiais frágeis são aqueles que não apresentam nenhuma deformação plástica,

apenas deformação elástica. Quando esses materiais são submetidos a esforços

que ultrapassem a deformação elástica, eles se rompem. Exemplos de materiais

frágeis são: concreto, cerâmicas, vidros etc.

RESILIÊNCIA

É a capacidade que o material tem de absorver energia durante a deformação

elástica e de liberá-la quando o esforço é retirado.

2.1 ÁTOMOS E LIGAÇÕES ATÔMICAS

O início de tudo é o átomo. Átomo significa indivisível.

Os átomos são partículas infinitamente pequenas, indivisíveis que constituem a

menor parte da matéria. São compostos por duas partes: núcleo – onde se

encontram os prótons e nêutrons e a eletrosfera – onde se encontram os

elétrons. Prótons são partículas carregadas positivamente, enquanto os elétrons

são partículas carregadas negativamente. Já os nêutrons possuem carga nula.

2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS – QUÍMICOS E METALÚRGICOS



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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS

Existem três tipos principais de ligação entre átomos. São eles: ligação iônica

(NaCl), ligação covalente (CH4) e ligação metálica (Cobre). Existe ainda, um tipo

de ligação considerada a mais fraca de todas que é a ligação de Van der Waals

(pontes de hidrogênio).

Ligação Metálica

É o tipo mais simples de ligação e o mais fácil de descrever: átomos com um, dois

ou três elétrons de valência (da camada mais externa) facilmente libertam esses

elétrons, tornando-se íons carregados positivamente. O NaCl (cloreto de sódio –

sal de cozinha) e o MgO (óxido de magnésio) são exemplos de sólidos em que

predomina esse tipo de ligação. Para formar-se o NaCl há transferência dos

elétrons de valência do átomo de Na (sódio) para o átomo de Cl (cloro).

Portanto, a característica principal dessa ligação é a transferência de elétrons de

um átomo para outro.

Ligação Covalente

Neste caso, um átomo compartilha seus elétrons com um átomo adjacente. O

exemplo mais simples é encontrado na molécula de hidrogênio, em que são

necessários dois átomos de hidrogênio para formar sua molécula. Átomos

diferentes podem igualmente combinar=se para formar moléculas com ligação

covalente. Exemplos: fluoreto de hidrogênio – HF; água – H2O; amônia – NH3;

metano – CH4 etc.

Ligação de Van der Waals

É a ligação interatômica ou intermolecular mais fraca e que ocorre entre átomos

de gases inertes. Nestes gases, a órbita mais externa (de valência) está completa

e, em conseqüência, os seus átomos possuem atração mútua muito pequena.

Nessa ligação, ocorre apenas influência mútua das ondas eletrônicas

estacionárias sem que os elétrons sejam compartilhados.

Ligação Metálica

Nesta ligação, os elétrons são compartilhados por inúmeros átomos. Este tipo de

ligação pode ser mais facilmente explicado da seguinte maneira: se num átomo

existirem apenas poucos elétrons de valência, eles podem ser removidos de

modo relativamente fácil, ao passo que os elétrons restantes são mantidos

firmemente ligados ao núcleo. Os elétrons de valência movimentam-se

livremente entre as órbitas de valência dos outros átomos, formando uma

espécie de nuvem eletrônica. Assim, admite-se que na ligação metálica, o

átomo se acha constantemente no estado de perder, adquirir ou compartilhar

elétrons de valência com os átomos vizinhos.



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Do conceito acima, surge a definição mais científica de metal: “elemento que

prontamente perde elétrons, de modo a criar uma ligação metálica e resultar

condutibilidade elétrica”.

2.2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Componente

Este termo será utilizado para definir um metal puro e/ou os componentes

individuais que formam uma liga metálica.

Ex.: a liga Fe-C (aço) possui dois componentes: Ferro e Carbono

Sistema

Define um material, equipamento ou um corpo em consideração. Ou, relata uma

mistura de componentes que irá formar uma liga.

Ex.: a liga Fe-C (aço) é um sistema

Fase

Esse termo define uma porção homogênea de um sistema. Essa porção possui

uniformidade em suas características físicas e químicas.

Ex.: Um copo com água e açúcar.

Sistema = água + açúcar

Componentes = água e açúcar

Fase = 1º caso: quando o açúcar encontra-se totalmente dissolvido na

água;

2º caso: a quantidade de açúcar for aumentada até o ponto no

qual não se consegue mais dissolver todo o açúcar na água.

No primeiro caso existe apenas uma fase líquida, composta por dois

componentes (água e açúcar). No segundo caso, haverá um excesso de açúcar no

fundo do copo. Nesse caso, teremos duas fases: uma líquida (açúcar + água) e

uma fase sólida precipitada composta apenas por açúcar.



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2.3 SISTEMAS E RETICULADOS CRISTALINOS – ESTRUTURA CRISTALINA

Os metais, ao se solidificarem, cristalizam, ou seja, os seus átomos que, no estado

líquido, estavam se movimentando e distribuídos a esmo, localizam-se em

posições relativamente definidas e ordenadas, que se repetem em três

dimensões, formando uma figura geométrica regular que é o cristal.

Existem sete sistemas cristalinos: triclínico, monoclínico, ortorrômbico,

hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico. De acordo com a disposição dos

átomos, originam-se desses sistemas 14 possíveis distribuições dos referidos

átomos, formando os chamados reticulados cristalinos ou redes, designados com

o nome de reticulados Bravais.

As estruturas representadas na figura ao lado são chamadas de células unitárias e

são a menor parte do reticulado cristalino.

O modelo de cristalização pode ser mais bem compreendido ao verificar-se o que

acontece quando um metal solidifica no interior de um recipiente (ver figura

abaixo). As principais células unitárias que se formam (1º quadro), em pontos

diferentes, crescem geralmente pela absorção de outras (2º, 3º, 4º e 5º quadro),

até se encontrarem formando um contorno irregular que delimita uma área onde

estão compreendidas milhares daquelas pequenas células (6º quadro).



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Um conjunto de células unitárias forma o cristal com contornos geométricos, o

qual, ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento e devido aos

pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se grão. Ou seja, enquanto

os conjuntos de células unitárias não se tocam, são chamados de cristais. Quando

passam a se tocar e, com isso, possuírem contornos irregulares, passam a ser

denominados grãos (6º quadro).

A interface entre um grão e outro, ou seja, a linha que separa os grãos é chamada

de contorno de grão. Veja a figura abaixo.

Em resumo, cada grão é constituído por milhares de células unitárias. Estas, por

sua vez, consistem em grupos de átomos que se dispuseram em posições fixas,

formando figuras geométricas típicas. Essas disposições fixas dão, pois, origem

aos reticulados cristalinos.

Os principais reticulados cristalinos, segundo os quais cerca de dois terços dos

metais se cristalizam, são do sistema cúbico e do sistema hexagonal.

A estrutura cristalina determina, entre outros fatores, as propriedades físicas do

material. Compostos formados pelos mesmos elementos podem ter

características totalmente diferentes devido a diferentes estruturas cristalinas.

Para exemplificar isto, podemos citar o carbono, que pode formar grafite ou

diamante (o mineral de maior dureza), de acordo com a organização dos seus

átomos



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2.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO

Alotropia ou polimorfismo é a propriedade que certos metais, como o ferro,

apresentam de possuírem reticulados cristalinos diferentes, conforme a

temperatura. No caso do ferro, por exemplo, tem-se:

- Temperatura ambiente até 912C = CCC (fase α)

- de 912C a 390C = CFC (fase )

- de 390C a 1534C = CCC (fase )

A mudança alotrópica é reversível.

2.5 SOLUTO, SOLVENTE, SOLUÇÃO SÓLIDA E LIMITE DE SOLUBILIDADE

SOLUÇÃO SÓLIDA

Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se

dissolvem a ponto de manter a água totalmente cristalina. Nesse caso, temos

uma solução líquida.

O termo solução sólida, tem a mesma idéia, entretanto, refere-se a materiais no

estado sólido.

Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o

componente B se misturar a estrutura do componente A de tal forma a manter

uma condição de fase única. Essa mistura pode ser substitucional ou intersticial.

Diamante Grafite

Substitucional Intersticial



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Substitucional

Os átomos dos componentes A e B possuem tamanhos parecidos. Com isso,

quando o átomo do componente B entrar na estrutura formada pelo átomo do

componente A, irá ocupar o lugar de um átomo de A, ou seja, vai substituí-lo.

Intersticial

O átomo do componente B é bem menor que o átomo do componente A. Dessa

forma, o átomo do componente B entra na estrutura formada pelo átomo de A,

ocupando os espaços vazios entre dois ou mais átomos do componente A. Esses

espaços entre os átomos são chamados de interstícios. Daí o nome de intersticial.

OBS.: No caso da liga Fe-C (aços) o carbono (soluto) entra na estrutura do ferro

(solvente), ocupando os espaços intersticiais. Portanto, a liga Fe-C constitui uma

solução sólida intersticial. Dizemos que o carbono é um elemento intersticial do

ferro.

LIMITE DE SOLUBILIDADE

Admitindo que o componente B (soluto) seja adicionado ao componente A

(solvente), para formar uma solução sólida, sabe-se que para uma determinada

temperatura, deverá existir um limite da quantidade do componente B que o

componente A é capaz de absorver. Após esse limite, os átomos do componente

soluto não poderão mais existir dissolvidos nos átomos do componente solvente,

ocorrendo a partir daí a precipitação de uma nova fase.

Esse limite da quantidade do componente B que o componente A pode receber é

chamando limite de solubilidade.

Um exemplo é a solubilidade do açúcar na água, representada pelo diagrama

abaixo.



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O limite de solubilidade pode mudar de acordo com a temperatura e com o teor

dos componentes presentes no sistema.

2.6 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO

É um gráfico, obtido através de experiências, que apresenta as temperaturas em

que ocorrem as diversas transformações da liga Fe-C, em função do seu teor de

carbono.

Como se trata de um diagrama de equilíbrio, ele só se aplica a aços resfriados

muito lentamente. Se o resfriamento for rápido aparecerão outros constituintes

não previstos (para estes deve ser utilizado o diagrama TTT, que será visto

adiante).

Durante o resfriamento verifica-se que existe para cada aço, de acordo com seu

teor de carbono, uma certa temperatura na qual começa a solidificação, que

prossegue à medida que a temperatura cai, até atingir uma outra temperatura,

também definida, onde a solidificação termina.

O lugar dos pontos de início de solidificação chama-se linha do liquidus, porque

acima dela o aço está completamente líquido. O lugar dos pontos de fim de

solidificação intitula-se linha do solidus, porque abaixo dela o aço está

inteiramente sólido. Entre essas duas linhas o aço está, portanto, em parte ainda

líquido e em parte já sólido.

A linha GE’S e a horizontal de 723°C chamam-se Linhas de Transformação. Essas

linhas são importantes porque marcam o início e o fim das transformações no

estado sólido e a região delimitada por essas linhas denomina-se zona crítica.

O ponto E’ chama-se Ponto Eutetóide e corresponde a um aço com 0,8% de

carbono. Aços com esse teor de carbono são chamados aços eutetóides,

enquanto que aços com teor de carbono maior ou menor do que 0,8% são

chamados, respectivamente, de aços hipereutetóides e hipoeutetóides.



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CONSTITUINTES DO DIAGRAMA FERRO-CARBONO

FERRITA ()

- Solução sólida de carbono em Ferro com estrutura CCC, chamada Fe-;

- Muito mole e dúctil: L.R. < 32 Kgf/mm²;

- Devido ao baixo teor de carbono, pode ser tratada como ferro puro;

- Estrutura estável em temperaturas abaixo de 912ºC.

- Forma-se por difusão, nucleando preferencialmente nos contornos de

grão da austenita. Com o aumento da taxa de resfriamento, passa a

nuclear também no interior do grão austenítico.

- A microestrutura da ferrita apresenta domínio de uma única fase.

- O nome Ferrita vem do latim Ferrum.

AUSTENITA ()

- Solução sólida de carbono em Ferro com estrutura CFC, chamada Fe-;

- Mole e dúctil;

- Pode ter até 2,11 % de carbono em solução;

- Por definição, aços contêm menos de 2% de carbono,

consequentemente todo o carbono dos aços acha-se dissolvido na

austenita, em temperaturas elevadas;

- O nome Austenita é uma homenagem ao seu descobridor, o

metalurgista inglês Roberts Austen.

FERRO -

- Estrutura cristalina CCC do ferro puro acima de 1394ºC;

- Análogo ao Fe-, contudo a solubilidade do carbono é apreciavelmente

maior devido a temperatura ser mais elevada;

CEMENTITA OU CARBONETO DE FERRO (Fe3C)

- Combinação entre o excesso de carbono e o ferro do aço formando uma

segunda fase – o carboneto de ferro ou Cementita;

- Comparada com a austenita e a ferrita, é muito dura, porém

extremamente frágil;

- A composição Fe3C indica que existem átomos de Fe e C na proporção

de 3 para 1.

- Célula unitária Ortorrômbica com 12 (doze) átomos de Ferro e 4 (quatro)

átomos de Carbono;

- O nome Cementita vem do latim, Caementum.

PERLITA (+Fe3C)

- É composta de camadas alternadas de ferrita e cementita;

- Sua propriedade mecânica é intermediária à da ferrita e da cementita;

- Sua resistência à tração é, em média, 75 Kgf/mm²;



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- Pode se formar em quase todos os aços por meio de tratamento térmico

adequado.

MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESFRIAMENTO LENTO

De acordo com o teor de carbono, durante o resfriamento de um aço poderemos

ter diferentes quantidades de cada um dos constituintes mostrados acima.

No resfriamento dos aços eutetóides (C=0,8%), a solidificação do material gera a

austenita, que permanece estável até atingir a linha de 723 °C, onde se

decompõe em cementita e ferrita, formando a estrutura conhecida por perlita.

Teremos então uma microestrutura com 100% de perlita.

Para os aços hipoeutetóides (C<0,8%), a decomposição da austenita começa a

ocorrer ao atingir a linha GE’S, formando certa quantidade de ferrita. Resfriando

até 723 °C, a austenita restante (que não se transformou em ferrita) se

decompõe formando a perlita. Dessa forma, a estrutura final observada neste

aço será de núcleos de perlita envoltos por grãos de ferrita.

No caso dos aços hipereutetóides (C>0,8%), resfriando-se até a linha GE’S começa

a haver formação de cementita, até atingir a temperatura crítica (723 °C), onde a

austenita restante se transforma em perlita. Teremos então núcleos de perlita

rodeados de cementita.



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ACO: É uma liga contendo basicamente ferro e carbono (Fe-C), com no

máximo 2,11% de carbono.

A obtenção do aço ocorre de uma série de operações de transformação

metalúrgica e de conformação mecânica.

Em se tratando de uma usina integrada, pode-se dividir sua produção em cinco

grandes etapas:

1. Preparo das matérias primas (coqueificação e sinterização);

2. Produção do ferro-gusa (alto forno);

3. Produção do aço (aciaria – conversor L.D. ou fornos elétricos);

4. Refinamento e lingotamento;

5. Conformação mecânica (laminação a quente).

3.1 PREPARO DAS MATÉRIAS PRIMAS - COQUEIFICAÇÃO E SINTERIZAÇÃO

Para a obtenção do aço são necessárias duas matérias primas principais: o

minério de ferro e o coque (carvão mineral). O carvão mineral destina-se a

fornecer energia térmica e química necessárias à redução do minério de ferro

que é a matéria principal para a obtenção do aço.

COQUEIFICAÇÃO

É uma operação para a eliminação de impurezas, antes da etapa do alto forno.

A coqueificação é feita na área chamada coqueria. Na coqueria, o carvão sofre

destilação em ausência de ar, com liberação de substâncias voláteis, o que se dá a

uma temperatura em torno de 1300°C, em média durante 18 horas. O produto

resultante é o coque metalúrgico, que é um resíduo poroso, composto

basicamente de carbono, com elevada resistência mecânica e alto ponto de

fusão.

SINTERIZAÇÃO

Similarmente ao caso do carvão, uma operação prévia é feita com o minério de

ferro bruto, antes de sua entrada no alto-forno. Esta operação chama-se

sinterização. O objetivo da sinterização é aglomerar os finos de minério de ferro

3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS AÇOS



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(vindos direto da área de extração) para se obter pedras com dimensões mais

adequadas ao processo seguinte que é a fabricação do ferro gusa, no alto forno.

O processo consiste na adição de um fundente (finos de calcário e finos de coque)

aos finos de minério de ferro. Essa mistura é levada a um forno contínuo e

quando a temperatura atinge a temperatura de fusão do coque, toda a mistura se

funde formando uma massa única. Após o resfriamento, ocorre a britagem dessa

massa e são obtidas partículas sólidas de dimensão superior a 5 mm, chamadas

se sinter.

Com a obtenção do coque e do sinter, parte-se para a obtenção do ferro gusa, no

alto forno.

3.2 PRODUÇÃO DO FERRO GUSA



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ALTO FORNO

São equipamentos modernos com aproximadamente 35m de altura e que se

dividem em três partes: cuba rampa e cadinho. A cuba chega a compor 2/3 da

altura desse equipamento.

O alto forno é alimentado, constantemente, de cima para baixo pela boca. A

carga do alto forno é constituída por coque, sinter e fundente (calcário).

Na cuba, a carga ainda é sólida. A fusão acontece na rampa e, que fica entre a

cuba e o cadinho. À medida que a fusão ocorre, a massa líquida que se forma

desce para o cadinho e a carga sólida da cuba desce para a rampa para ser

fundida também. No cadinho, as impurezas se agrupam e forma-se a escória, que

se separa do gusa líquido por diferença de densidade. A escória fica na

superfície. O vazamento é feito por canais diferentes, valendo-se do processo de

decantação. O ferro gusa líquido segue no carro torpedo (figura a baixo) para a

etapa seguinte (aciaria) e a escória, após resfriada, pode ser vendida para fábricas

de cimento.

PROCESSO DE OBTENÇÃO DO FERRO GUSA

Inicialmente tem-se o minério de ferro na forma de sinter, que é composto pelo

metal ferro (Fe) e por impurezas denominadas ganga. Primeiro, é necessário

liberar o Fe da ganga usando um redutor, que nesse caso é o coque. A redução

do minério de ferro nada mais é do que a retirada do oxigênio. Para que a

redução ocorra é necessário fornecer uma grande quantidade de calor que é

obtida da própria queima do coque. O oxigênio liberado se junta a uma parte do



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carbono presente no coque e forma alguns dos resíduos desse processo, que são:

monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2).

O Fe já em estado líquido liga-se também ao carbono presente no coque e se

acumula no fundo do alto forno (cadinho). Os fundentes ajudam na aglomeração

da ganga formando a escória.

Dentro do alto forno, tem-se a seguinte sequência de acontecimentos:

Introduz-se a carga, composta de sinter, coque e fundente;

Entre 300°C e 350°C ocorre a dessecação – o vapor de água contido na

carga é eliminado;

Entre 350°C e 750°C ocorre a redução – o óxido de ferro (minério de

ferro) perde o oxigênio.

Entre 750°C e 1150°C ocorre carburação – o Fe combina-se com o

carbono formando o ferro gusa;

Entre 1150°C e 1800°C ocorre a fusão – o gusa passa para o estado

líquido.

Em torno de 1600°C ocorre a liquefação – o gusa se separa da escória.

Embora o ferro gusa seja uma liga constituída basicamente de Fe + C, ainda não

pode ser considerado aço devido ao seu elevado teor de carbono que fica entre

4% e 4,5%. Para que esse valor chegue a níveis compatíveis com o do aço

(2,11%C no máximo) é necessário o processo de conversão do ferro gusa em aço,

que acontece na próxima etapa.

3.3 PRODUÇÃO DO AÇO - ACIARIA

Nas usinas integradas, a obtenção do aço acontece com o processo de conversão

do ferro gusa (vindo do alto forno) em aço, por meio de um equipamento

chamado conversor. Esse processo consiste em baixar o teor de carbono

presente no ferro gusa (aproximadamente 4,5%C) para teores que correspondam

aos do aço (máximo 2,11%C).

Já no caso de industrias de reciclagem de aço (não integradas), o processo de

obtenção do aço acontece em um forno elétrico e a matéria prima do processo é,

principalmente, a sucata sólida de aço.

TIPOS DE CONVERSORES

O homem tenta obter o aço desde 1500 a.C., por meio de buracos no solo onde

eram colocados ferro e carvão. Com o passar dos tempos, esse método foi

evoluindo e os fornos começaram a ficar com uma parte acima do solo, até

chegar aos conversores que conhecemos hoje.



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Existiram, através dos tempos, diversos tipos de conversores entre os principais

estão: Conversor Bessemer, o Siemens-Martin e o atual Conversor L.D., além dos

fornos elétricos para a reciclagem do aço.

CONVERSOR BESSEMER (1855 – 1968)

Este conversor trabalhava somente com ferro gusa, que era sempre introduzido

no estado de fusão. O seu princípio de funcionamento é a passagem de ar

comprimido ou oxigênio através da massa líquida (ferro gusa em estado de

fusão), que oxida e elimina as impurezas e o carbono, mantendo elevada a

temperatura do material em fusão, que gira em torno de 1700°C.

SIEMENS-MARTIN

Trata-se de um forno horizontal longo, com diversas aberturas laterais por onde

se processa a carga, sendo o escoamento do aço líquido feito por intermédio de

pequenos canais que vêm do fundo do leito do forno e saem em sentido oposto

às aberturas de carga.

O calor no interior do forno é conseguido mediante a queima de um combustível

gasoso ou a óleo que é insuflado em uma das extremidades do forno. Os gases

são exalados pela extremidade oposta. Esses gases antes de saírem, passam por

um regenerador para que possam ceder calor ao combustível que entra.

CONVERSOR L.D.

O processo de conversão L.D. foi idealizado em 1948 por Durrer. Plantas pilotos

foram testadas nas cidades de Linz e Donawitz, daí o nome L.D.

A composição do ferro gusa apresenta, como já foi dito, cerca de 4,5%C além de

0,4% de fósforo, que impossibilita sua conformação mecânica. Para converter ou

transformar o ferro gusa em aço é necessário a redução dos teores de carbono,

fósforo e silício.



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Os conversores são carregados com gusa líquido, sucata de aço sólida e uma

escória básica contendo CaO, CaF2 e MgO. Oxigênio puro é injetado, por meio de

lanças, por cima do conversor, ou pelo fundo, ou ainda pela combinação de

ambos. A injeção promove a oxidação controlada do C e Si, gerando calor para a

carga.

Após o sopro de oxigênio, o conversor é escorificado e o aço líquido segue para o

lingotamento convencional ou contínuo, ou para instalações de metalurgia de

panela (operação de refino).

FORNOS ELÉTRICOS

O forno elétrico ou, forno elétrico a arco, na realidade é um grande recipiente,

basculante, com duas aberturas diametralmente opostas, sendo uma para carga

do material sólido e a outra por onde é vertida a massa líquida.

Esse forno é carregado com sucata sólida de aço e fundentes. O calor é fornecido

por arco voltaico que se forma entre os eletrodos verticais (geralmente de

grafite) e o banho por meio de efeito Joule, ou seja, a passagem da corrente

elétrica pela carga gera o calor necessário para a fusão do material.



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Durante a queima do material é comum a injeção de oxigênio que ajuda a

esquentar a corrida, fundir mais rapidamente o material sólido e queimar

carbono. A partir desse procedimento, fica nítida a separação da escória do aço

líquido.

O ajuste de composição costuma ser feito no próprio forno e, nesse caso, a

injeção de oxigênio ajuda na homogeneização do banho. Com a composição

ajustada dentro dos requisitos de propriedade mecânica, o aço líquido é

transferido para a panela de vazamento e segue para a área de fundição ou

lingotamento.

3.4 REFINO E LINGOTAMENTO

REFINO

Na operação de refino são feitos ajustes na composição química do aço líquido

vindo do conversor. Essa etapa é feita em fornos menores conhecidos como

fornos panela e a operação de ajuste de composição é comumente chamada de

metalurgia de panela.

Nesses fornos, o aço líquido permanece por aproximadamente 40 minutos a uma

temperatura da ordem de 1600°C. Após esse período de refino, o aço é

submetido ao processo de lingotamento.

LINGOTAMENTO

O lingotamento consiste na solidificação do aço produzido no conversor L.D. e

refinado, com o objetivo de produzir lingotes para os processos de conformação

mecânica. O lingotamento pode ser convencional ou contínuo e o produto dessa

operação é chamado de lingote ou placa ou tarugo.

Convencional: o aço é solidificado em ligoteiras fixas (estáticas), de maneira a

produzir tarugos (ver figura abaixo).

Contínuo: o metal líquido é solidificado em ligoteiras refrigeradas, de maneira a

produzir placas ou lingotes.

Após resfriados, os lingotes, placas ou tarugos são encaminhados para pátios de

estocagem, onde aguardam pela programação de produção para serem

encaminhados à etapa de conformação mecânica, que é a última parte do

processo de fabricação dos aços.



Agosto 2009

3.5 CONFORMAÇÃO MECÂNICA – LAMINAÇÃO A QUENTE

Após o lingotamento, a conformação mecânica que pode se seguir é a laminação

a quente. Esse processo consiste basicamente em reaquecer as placas, lingotes

ou tarugos e submetê-los a esforços de compressão vertical e lateral, de maneira

a haver redução de secção transversal.

Esse esforço de compressão é transmitido às placas por meio de uma combinação

de cilindros denominada cadeiras de laminação. Os laminadores são formados

por várias cadeiras de laminação, dispostas em linha, agrupadas de acordo com o

grau de deformação que promovem. Os tipos mais comuns de laminadores são:

duo – dois cilindros de trabalho; trio – dois cilindros de encosto e um de trabalho;

quadruo – dois cilindros de trabalho e dois cilindros de encosto. Os cilindros de

encosto possuem um diâmetro muito maior que os dos cilindros de trabalho.

Cadeira de laminação – laminador quádruo

Lingotamento convencional – lingoteiras estáticas

Lingotamento contínuo – lingoteiras refrigeradas



Agosto 2009

A laminação a quente de produtos planos, pode ser dividida em 5 etapas:

reaquecimento das placas, laminação de desbaste, laminação de acabamento,

lamina flow e bobinamento.

REAQUECIMENTO DAS PLACAS

As placas são levadas para um forno horizontal, divido em zonas: pré-

aquecimento, aquecimento, encharque e extração, onde atingem temperaturas

entre 950°C e 1100°C.

LAMINAÇÃO DE DESBASTE

As barras reaquecidas são forçadas a passar por cilindros onde ocorrem as

maiores reduções de espessura e, onde, geralmente, a largura é mantida

constante. O balanço de massa é compensado com o aumento do comprimento.

LAMINAÇÃO DE ACABAMENTO

Geralmente é um conjunto de 7 cadeiras de laminação, muito próximas umas das

outras, e a tira passa ao mesmo tempo pelas 7 cadeiras. Nessa seção são feitos

os ajustes finos de espessura.

LAMINA FLOW

Banco de chuveiros que são responsáveis pelo resfriamento da tira para que ela

atinja a temperatura ideal para o bobinamento. Esse resfriamento promove

também um tratamento térmico onde, por meio de transformações metalúrgicas

o aço adquire as propriedades mecânicas necessárias para cada utilização.

BOBINADEIRA

É o equipamento responsável por enrolar as tiras, formando as bobinas.

O número de tipos de aço é muito elevado, pois além dos aços simplesmente ao

carbono com teores variáveis de carbono, é muito grande a quantidade de aços

ligados.

Para facilitar sua seleção, associações técnicas especializadas classificaram os

aços pela sua composição química, dando origem aos SAE e AISI (americanos),

DIN (alemão) e ABNT (brasileiro).

O sistema brasileiro ABNT baseou-se nos sistemas americanos, considerando o

percentual de carbono e os elementos de liga. Já o sistema DIN considera um

valor mínimo de resistência à tração.

Veja, a seguir, como é classificado cada um dos grupos abaixo, segundo o sistema

SAE-AISI, adotado no Brasil.



Agosto 2009

4.1 AÇO CARBONO

Os aços-carbono possuem na sua composição apenas quantidades limitadas dos

elementos Carbono, Silício, Manganês, Cobre, Enxofre e Fósforo. Outros

elementos existem apenas em quantidades residuais. A quantidade de Carbono

presente no aço define a sua classificação:

Baixo carbono - possuem no máximo 0,30% de carbono;

Médio carbono - possuem de 0,30% a 0,60% de carbono;

Alto carbono - possuem de 0,60% a 1,00% de carbono.

CARACTERÍSTICAS

Baixo carbono: Os aços baixo carbono possuem, normalmente, baixas resistência

e dureza e altas tenacidade e ductilidade. Além disso, são bastante usináveis e

soldáveis e apresentam baixo custo de produção. Estes aços normalmente não

são tratados termicamente.

Médio carbono: possuem uma quantidade de carbono suficiente para a

realização de tratamentos térmicos de têmpera e revenido, muito embora seus

tratamentos térmicos necessitem ser realizados com taxas de resfriamento

elevadas e em seções finas para serem efetivos. Possuem maiores resistência e

dureza e menores tenacidade e ductilidade do que os aços baixo carbono.

Alto carbono: são os de maiores resistência e dureza, porém de menor

ductilidade entre os aços carbono. São quase sempre utilizados na condição

temperada e revenida, possuindo boas características de manutenção de um bom

fio de corte.

QUALIDADE

Os aços-carbono seguem uma divisão padronizada na indústria, o que permite

que fornecedores e consumidores se comuniquem com maior eficiência. Os

grupos de descrição de qualidade utilizados são os seguintes:

- Semi-acabados para forjamento - Bobinas laminadas a quente

- Estrutural - Bobinas laminadas a frio

- Placas - Folhas-de-flandres

- Barras laminadas a quente - Arames

- Barras acabadas a frio - Arame achatado

- Chapas finas laminadas a quente - Tubos

- Chapas finas laminadas a frio - Tubos estruturais

- Chapas com esmaltagem porcelânica - Tubos para oleodutos

- Chapas chumbadas compridas - Produtos tubulares para campos

petrolíferos

4. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS E DOS FERROS FUNDIDOS



Agosto 2009

- Chapas galvanizadas - Produtos tubulares especiais

- Chapas revestidas por zincagem

eletrolítica

- Fios-máquina laminados a quente

CLASSIFICAÇÃO

Os aços, em geral, são classificados em Grau, Tipo e Classe.

Grau: normalmente identifica a faixa de composição química do aço;

Tipo: identifica o processo de desoxidação utilizado;

Classe: é utilizada para descrever outros atributos, como nível de

resistência e acabamento superficial.

A designação do Grau, Tipo e Classe utiliza uma letra, número, símbolo ou nome.

Existem vários sistemas de designação para os aços, como o SAE (Society of

Automotive Engineers), AISI (American Iron and Steel Institute), ASTM (American

Society os Testing and Materials) e ABNT (Associação Brasileira de Normas

Técnicas). A normalização unificada vem sendo utilizada com frequência cada vez

maior, e é designada pela sigla UNS (Unified Numbering System).

SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO

O sistema de classificação mais adotado na prática é o SAE-AISI. Nele, o aço-

carbono utiliza o grupo 1xxx, e é classificado da seguinte forma:

- 10xx: Aço-carbono comum (Mn: 1,00% máx.)

· 11xx : Ressulfurado

· 12xx : Ressulfurado e Refosforizado

· 15xx : Aço-carbono comum (Mn : 1,00 a 1,65%)

Os aços que possuem requisitos de temperabilidade adicionais recebem a adição

de um H após a sua classificação.

Obs.: Os últimos dois dígitos, representados pelo xx, representam o conteúdo de

carbono do aço.

Exemplos:

SAE 1010 – aço carbono comum, com 0,10%C (Mn: 1,00% máximo);

SAE 1045 – aço carbono comum, com 0,45%C (Mn: 1,00% máximo);

SAE 1125 – aço carbono ressulfurado com 0,25%C

SAE 1515 – aço carbono comum, com 0,15%C (Mn: 1,00% a 1,65%)

SAE 1220 – aço ressulfurado e refosforizado, com 0,20%C

APLICAÇÕES

Baixo carbono: suas aplicações típicas são chapas automobilísticas, perfis

estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos, construção civil, pontes e

latas de folhas-de-flandres.



Agosto 2009

Médio carbono: são utilizados em rodas e equipamentos ferroviários,

engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de

elevadas resistências mecânica e ao desgaste e tenacidade.

Alto carbono: tem grande aplicação em talhadeiras, folhas de serrote, martelos e

facas.

4.2 AÇO LIGA

Os Aços-liga contêm quantidades específicas de elementos de liga diferentes

daqueles normalmente utilizados nos aços comuns. Estas quantidades são

determinadas com o objetivo de promover mudanças nas propriedades físicas e

mecânicas que permitam ao material desempenhar funções específicas. Os aços-

liga costumam ser designados de acordo com o(s) seu(s) elemento(s)

predominante(s), como por exemplo, aço-níquel, aço-cromo e aço-cromo-

vanádio.

CLASSIFICAÇÃO

Os aços-liga seguem as mesmas classificações dos aços-carbono, ou seja, são

divididos em Graus, Tipos e Classes. Os sistemas de designação também são os

mesmos, destacando-se o SAE, AISI, ASTM e UNS.


Os aços-liga possuem várias numerações diferentes no sistema SAE-AISI. A

designação SAE-AISI considera como aço-liga todos aqueles que ultrapassem os

limites de 1,65% de Manganês, 0,60% de Silício ou 0,60% de Cobre. Além disso,

são considerados aços-liga todo e qualquer aço que possua quantidades mínimas

especificadas de Alumínio, Boro, Cromo (até 3,99%), Cobalto, Nióbio, Molibdênio,

Níquel, Titânio, Tungstênio, Vanádio, Zircônio ou qualquer outro elemento de liga

adicionado com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas e a tenacidade

após a realização de tratamentos térmicos. Os grupos de aços-liga são

classificados da seguinte forma pelo sistema SAE-AISI:

Aço-manganês: 13xx: Mn 1.75%

Aços-níquel: 23xx: Ni 3.50%; 25xx: Ni 5.00%

Aços níquel-cromo: 31xx: Ni 1.25% ; Cr 0.65 e 0.80%

32xx : Ni 1.75% ; Cr 1.07%

33xx : Ni 3.50% ; Cr 1.50% e 1.57%

34xx : Ni 3.00% ; Cr 0.77%

Aços-molibdênio: 40xx: Mo 0.20 e 0.25%

44xx: Mo 0.40 e 0.52%

Aços cromo-molibdênio: 41xx: Cr 0.50%, 0.80% e 0.95% ; Mo 0.12% , 0.20% ,

0.25% e 0.30%



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Aços níquel-cromo-molibdênio:

· 43xx: Ni 1.82%; Cr 0.50 e 0.80% ; Mo 0.25%

· 43BVxx : Ni 1.82%; Cr 0.50; Mo 0.12 e 0.25% ; V 0.03 min.

· 47xx : Ni 1.05%; Cr 0.45%; Mo 0.20 e 0.35%

· 81xx : Ni 0.30%; Cr 0.40%; Mo 0.12%

· 86xx : Ni 0.55%; Cr 0.50%; Mo 0.20%

· 87xx : Ni 0.55%; Cr 0.50%; Mo 0.25%

· 88xx : Ni 0.55%; Cr 0.50%; Mo 0.35%

· 93xx : Ni 3.25%; Cr 1.20%; Mo 0.12%

· 94xx : Ni 0.45%; Cr 0.40%; Mo 0.12%

· 97xx : Ni 0.55%; Cr 0.20%; Mo 0.20%

· 98xx : Ni 1.00%; Cr 0.80%; Mo 0.25%

Aços níquel-molibdênio: 46xx : Ni 0.85 e 1.82%; Mo 0.20 e 0.25% 48xx : Ni 3.50% ; Mo 0.25%

Aços-cromo: · 50xx : Cr 0.27, 0.40, 0.50 e 0.65%

· 51xx : Cr 0.80, 0.87, 0.92, 0.95, 1.00 e 1.05%

· 50xxx : Cr 0.50% ; C 1.00% min

· 51xxx : Cr 1.02% ; C 1.00% min

· 52xxx : Cr 1.45% ; C 1.00% min

Aços cromo-vanádio: 61xx: Cr 0.60, 0.80 e 0.95% ; V 0.10 e 0.15%

Aços cromo-tungstênio: 72xx: W 1.75 ; Cr 0.75%

Aços silício-manganês: 92xx: Si 1.40 e 2.00% ; Mn 0.65, 0.82 e 0.85% ; Cr 0 e 0.65%

Aços-boro: xxBxx : B denota aço ao Boro

Aços ao chumbo: xxLxx : L denota aço ao Chumbo

Aços-vanádio: xxVxx : V denota aço ao Vanádio

APLICAÇÕES

Os aços-liga, por ser uma família bastante ampla de diferentes tipos de aço, com

propriedades bastante distintas, encontram aplicações igualmente vastas. Podem

ser encontrados em praticamente todos os segmentos industriais, desde a

construção civil até a construção naval, passando pela indústria petrolífera,

automobilística e aeronáutica.

4.3 AÇOS INOXIDÁVEIS

Os aços-inoxidáveis são aqueles que contêm um mínimo de 10,5% de Cromo

como principal elemento de liga. São aços onde não ocorre oxidação em



Agosto 2009

ambientes normais. Alguns aços inoxidáveis possuem mais de 30% de Cromo ou

menos de 50% de Ferro. Suas características de resistência à corrosão são obtidas

graças à formação de um óxido protetor que impede o contato do metal base

com a atmosfera agressiva. Alguns outros elementos como níquel, molibdênio,

cobre, titânio, alumínio, silício, nióbio, nitrogênio e selênio podem ser

adicionados para a obtenção de características mecânicas particulares.


Os aços inoxidáveis são normalmente designados pelos sistemas de numeração

da AISI (American Iron and Steel Institute), UNS (Unified Numbering System) ou

por designação própria do proprietário da liga. Entre estes, o sistema da AISI é o

mais utilizado. Nele, a maioria dos graus de aços inoxidáveis possuem uma

classificação com três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e

300, enquanto que a série 400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos.

A série UNS, por sua vez, possui um maior número de ligas que a AISI, pois

incorpora todos os aços inoxidáveis de desenvolvimento mais recente. Nesta

série, os aços inoxidáveis são representados pela letra S, seguida de cinco

números. Os três primeiros representando a numeração AISI (se tiverem). Os dois

últimos algarismos serão 00 se o aço for um aço comum da designação AISI. Se

forem diferentes, significa que o aço tem alguma característica especial

reconhecida pela UNS.

CLASSIFICAÇÃO

Os aços inoxidáveis são divididos em cinco famílias, de acordo com a

microestrutura ou tratamento térmico utilizado. As cinco famílias são:

martensíticos, ferríticos, austeníticos, duplex (austenítico e ferrítico) e

endurecíveis por precipitação.

CARACTERÍSTICAS

Martensíticos: são ligas Fe-Cr-C que possuem uma estrutura martensítica na

condição endurecida. São ferromagnéticos, endurecíveis por tratamentos

térmicos e resistentes à corrosão somente em meios de média agressividade. O

conteúdo de cromo é, geralmente, situado entre 10,5 e 18% e o conteúdo de

carbono não pode ser superior a 1,2%. Os conteúdos de carbono e cromo são

balanceados para garantir uma estrutura martensítica. Alguns elementos como

nióbio, silício, tungstênio e vanádio são, às vezes, adicionados para modificar o

comportamento do aço durante o revenido. Pequenas quantidades de níquel

podem ser adicionadas para melhorar a resistência à corrosão. Da mesma

maneira, enxofre e selênio podem ser adicionados para melhorar usinabilidade.

Ferríticos: são ligas de Fe-Cr, de estrutura cristalina cúbica de corpo centrado

(CCC). Seu conteúdo de cromo se situa na faixa de 11% a 30%. Alguns graus

podem conter molibdênio, silício, alumínio, titânio e nióbio para a obtenção de

certas características. Também podem ser adicionados enxofre e selênio para



Agosto 2009

melhoria da usinabilidade. São ferromagnéticos, podem possuir boas ductilidade

e conformabilidade, mas suas características de resistência em altas

temperaturas são ruins se comparadas à dos austeníticos. Sua tenacidade

também pode ser limitada a baixas temperaturas e em seções pesadas. Não são

endurecíveis por tratamento térmico e dificilmente por trabalho a frio.

Austeníticos: constituem a maior família de aços inoxidáveis tanto em número de

diferentes tipos, quanto em utilização. A exemplo dos ferríticos, não são

endurecíveis por tratamento térmico. São não-magnéticos na condição recozida

e são endurecíveis apenas por trabalho a frio. Normalmente, possuem

excelentes propriedades criogênicas e excelente resistência mecânica e à

corrosão em altas temperaturas. O conteúdo de cromo varia entre 16% e 26%, o

de níquel é menor ou igual a 35% e o de manganês é menor ou igual a 15%.

Podem ser adicionados, também, molibdênio, cobre, silício, alumínio, titânio e

nióbio, para a obtenção de melhores características de resistência à oxidação.

Duplex: são ligas bifásicas baseadas no sistema Fe-Cr-Ni. Estes aços possuem,

aproximadamente, a mesma proporção das fases ferrita e austenita e são

caracterizados pelo seu baixo teor de carbono (<0,03%) e por adições de

molibdênio, nitrogênio, tungstênio e cobre. Os teores típicos de cromo e níquel

variam entre 20% e 30% e 5% e 8%, respectivamente. A vantagem dos aços

duplex sobre os austeníticos da série 300 e sobre os ferríticos são a resistência

mecânica (aproximadamente o dobro), maiores tenacidade e ductilidade (em

relação aos ferríticos) e uma maior resistência a corrosão por cloretos.

Endurecíveis por precipitação: são ligas cromo-níquel que podem ser

endurecidas por tratamento de envelhecimento. Podem ser austeníticos, semi-

austeníticos ou martensíticos, sendo que a classificação é feita de acordo com a

sua microestrutura na condição recozida. Para viabilizar a reação de

envelhecimento, muitas vezes se utiliza o trabalho a frio, e a adição de elementos

de liga como alumínio, titânio, nióbio e cobre.

APLICAÇÃO

Martensíticos: estes aços são especificados quando a aplicação requer elevada

resistência à tração, à fluência e à fadiga, combinadas com requisitos moderados

de resistência à corrosão e utilizações em até 650 °C. Entre as suas aplicações

estão turbinas a vapor, motores a jato e turbinas a gás. Alguns destes aços

encontram aplicações, também, como tubulações de vapor, reaquecedores de

geradores a vapor e tubulações superaquecidas utilizadas em refinarias de

combustíveis fósseis, cutelaria, peças de válvulas, engrenagens, eixos, cilindros

laminadores, instrumentos cirúrgicos e odontológicos, molas, cames e esferas de

rolamentos.



Agosto 2009

Ferríticos: suas várias classes encontram aplicações em sistemas de exaustão de

automóveis, como recipientes de alimentos, em trocadores de calor e em

tubulações contendo soluções com cloretos e água do mar.

Austeníticos: podem, em função dos elementos de liga presentes na sua

composição, resistir a corrosão atmosférica, em várias soluções aquosas, na

presença de alimentos, em ácidos oxidantes (como o nítrico), fosfóricos e

acéticos, em soluções diluídas contendo cloretos e em ácidos sulfurosos.

Duplex: graças a sua elevada resistência mecânica, os aços inox duplex podem ser

utilizados em menores espessuras. Sua desvantagem é que não pode ser utilizado

em temperaturas acima de 300 °C, sob pena de perder algumas de suas

características mecânicas, sobretudo a tenacidade. É bastante utilizado nas

indústrias de gás, petróleo, petroquímica, polpa e papel, principalmente na

presença de meios contendo aquosos contendo cloretos.

Endurecíveis por precipitação: possuem boa resistência mecânica, tenacidade e

ductilidade. Sua resistência à corrosão é de moderada a boa. Suas características

lhe garantem aplicação nas indústrias aeroespacial e de alta-tecnologia.

4.4 AÇOS FERRAMENTA

Os aços-ferramentas são aqueles utilizados nas operações de corte, formação,

afiação e quaisquer outras relacionadas com a modificação de um material para

um formato utilizável. Estes aços se caracterizam pelas suas elevadas dureza e

resistência à abrasão geralmente associadas à boa tenacidade e manutenção das

propriedades de resistência mecânica em elevadas temperaturas.

Estas características normalmente são obtidas com a adição de elevados teores

de carbono e ligas, como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo.

Boa parte dos aços-ferramenta são forjados, mas alguns também são fabricados

por fundição de precisão ou por metalurgia do pó. A seleção da matéria-prima

para a fabricação dos aços ferramentas é um fator importante do processo, e a

sua seleção costuma ser cuidadosamente realizada inclusive na utilização de

sucata.

A fusão dos aços-ferramentas é realizada, normalmente, em quantidades

relativamente pequenas nos fornos elétricos, tomando-se um especial cuidado

com as tolerâncias de composição química e homogeneidade do produto final.

Estas e outras particularidades tornam o aço-ferramenta um material de custo

mais elevado do que os aços comuns.



Agosto 2009

CLASSIFICAÇÃO

Devido às diversas utilizações dos aços-ferramentas, eles são divididos em

diferentes tipos de acordo com a sua aplicação e características. São eles: aços-

rápidos, aços para trabalho a quente, aços para deformação a frio, aços

resistentes ao choque, aços baixa liga para aplicações especiais, aços para

moldagem, aços temperáveis em água.

CARACTERÍSTICAS

Aços-rápido: são desenvolvidos para aplicações de usinagem em elevadas

velocidades. Existem duas classificações para os aços-rápidos, que são os ao

molibdênio (grupo M) e os ao tungstênio (grupo T). Os dois possuem um

desempenho mais ou menos semelhante. Os do grupo M, entretanto, têm um

custo inicial menor.

Aços para trabalho a quente: desenvolvidos para utilização em operações de

punçonamento, cisalhamento e forjamento de metais em altas temperaturas sob

condições de calor, pressão e abrasão. São identificados como aço H, no sistema

de classificação. São divididos em três subgrupos: ao cromo (que vai do H10 ao

H19), ao tungstênio (H21 ao H26) e ao molibdênio (H42 e H43).

Aços para deformação a frio: por não conter os elementos de liga necessários

para possuir resistência a quente, estes aços se restringem as aplicações que não

envolvam aquecimentos repetidos ou prolongados em faixas de temperatura de

205 a 260ºC. São divididos em três grupos: aços temperáveis ao ar (grupo A),

alto-carbono e alto-cromo (grupo D) e temperáveis em óleo (grupo O).

Aços resistentes ao choque: seus principais elementos de liga são manganês,

silício, cromo, tungstênio e molibdênio. Quase todos os aços deste tipo

(conhecidos como Grupo S) possuem conteúdo de carbono de aproximadamente

0.50%, o que lhes confere uma combinação de elevadas resistência e tenacidade

e baixa ou média resistência ao desgaste por abrasão.

Aços baixa-liga para aplicações especiais: contém pequenas quantidades de

cromo, vanádio, níquel e molibdênio. Possuem dois subgrupos, ambos

temperáveis a óleo. São os aços do grupo L.

Aços para moldagem: estes aços possuem cromo e níquel como principais

elementos de liga. Possuem características de baixa resistência ao amolecimento

em altas temperaturas. São classificados como grupo P.

Aços temperáveis em água: nestes aços o carbono é o principal elemento de liga.

São adicionados, também, pequenas quantidades de cromo para aumentar a

temperabilidade e a resistência à abrasão, e de vanádio, para manter uma

granulação fina, e consequentemente uma maior tenacidade. Pertencem ao

grupo w.



Agosto 2009

APLICAÇÃO

Aços-rápido: ferramentas, brocas, perfuratrizes, alargadores de furos, machos

para abertura de roscas e fresas helicoidais. Alguns graus podem ser utilizados

para certas aplicações a frio como laminadores de rosca, punções e matrizes para

corte de discos.

Aços para trabalho a quente: os aços ao cromo são utilizados em aplicações de

transformações mecânicas a temperaturas elevadas. Os aços ao tungstênio são

utilizados como mandris ou matrizes de extrusão para aplicações de alta

temperatura, como por exemplo, na extrusão de ligas de cobre, ligas de níquel e

aço.

Aços para deformação a frio: os do grupo A são aplicados como facas de

cisalhamento, punções, corte de chapas para estampagem e matrizes para

aparar. Os do grupo D são aplicados em ferramentas de forjamento, rolos de

laminação de roscas, estampagem profunda, moldes de tijolo, calibres,

operações de brunimento, rolos e facas para corte de tiras. Os do grupo O, por

fim, são utilizados em matrizes e punções para corte de chapas para

estampagem, rebarbação, trefilação, flangeamento e forjamento.

Aços resistentes ao choque: usados em talhadeiras, formões, contra-rebites,

punções, brocas-guia e outras aplicações que requerem elevada tenacidade e

resistência ao choque.

Aços baixa-liga para aplicações especiais: são utilizados, de um modo geral, em

componentes de máquinas como árvores, cames, placas, mandris e pinças de

tornos

Aços para moldagem: como o próprio nome sugere, estes aços são utilizados

como moldes de vários tipos, para aplicações que requerem a manutenção das

características de resistência em temperaturas e pressões elevadas.

Aços temperáveis em água: são utilizados em ferramentas para forjamento a

frio, cunhagem de moedas, gravação em relevo, trabalho em madeira, corte de

metais duros (machos e alargadores), cutelaria e outras que requeiram

resistência ao desgaste por abrasão.

4.5 FERROS FUNDIDOS

As ligas ferro-carbono com teor de carbono superior a 2% correspondem, como

se sabe, aos ferros fundidos. Esses materiais são muito importantes. Mesmo os

tipos mais comuns e tradicionais encontram um grande campo de aplicação. Por

outro lado, o aperfeiçoamento dos métodos de fabricação e de controle de

qualidade, a introdução de elementos de liga, a aplicação de tratamentos

térmicos e, finalmente, o desenvolvimento do ferro fundido nodular, ampliaram

as possibilidades de emprego desses materiais.



Agosto 2009

O elevado teor de carbono dessas ligas e a presença sempre obrigatória do

elemento silício tornam, entretanto, necessário considerá-las como ligas ternárias

Fe-C-Si. O tratamento térmico dessa liga faz surgir um novo constituinte –

carbono livre ou grafita – cuja forma, disposição e quantidade alteram

profundamente as propriedades desses materiais.

FERRO FUNDIDO BRANCO

Este ferro fundido é assim chamado porque, devido ao carbono se apresentar

quase inteiramente combinado na forma de Fe3C, mostra uma fratura branca.

Para a produção do ferro fundido branco deve-se combinar os dois fatores

fundamentais que determinam a maior ou menor decomposição da cementita:

composição química (teores de carbono e silício, este último principalmente) e

velocidade de resfriamento. Essa última é controlada pelo emprego do sistema

de coquilhamento em que os moldes são metálicos, chamados coquilhas.

Na produção dos ferros fundidos brancos, tem sido utilizada a técnica de adição

de alguns elementos de liga, entre os quais os seguintes:

- Níquel, cromo e Molibdênio – isolados ou em combinação, para aumentar a

resistência ao desgaste. Eles regulam a profundidade de coquilhamento, ou seja,

a profundidade da camada branca, visto que, no centro das peças, onde a

velocidade de resfriamento é menor, a tendência é ocorrer uma certa

grafitização.

Cromo – normalmente é adicionado em teores até 4%. Acima disso, por exemplo

entre 12% e 35%, além de aumentar a resistência ao desgaste, torna os ferros

fundidos brancos resistentes à corrosão e à oxidação a altas temperaturas.

Níquel – pode ir até teores de 4% ou 5%, o que produz uma estrutura

martensítica, aumentando a dureza.

Molibdênio – tem um efeito correspondente a um terço do cromo e o objetivo

inicial, na sua adição em pequenas quantidades (0,25% a 0,75%), é melhorar a

resistência da superfície coquilhada ao lascamento e tricamento pelo calor e à

corrosão localizada.

Tratamento Térmico

As peças coquilhadas são geralmente submetidas a um tratamento térmico para

alívio de tensões que se originam nas diversas velocidades de resfriamento e,

portanto, de solidificação, nas várias seções das peças, além de uniformizar a

estrutura bruta de fusão.



Agosto 2009

O aquecimento é feito a temperaturas relativamente elevadas – entre 815°C e

870°C – durante tempos relativamente longos, seguido de resfriamento muito

lento, pelo menos até 650°C.

Características

Suas propriedades básicas são: elevada dureza e resistência ao desgaste, o que

em conseqüência, os torna difíceis de usinar, mesmo com os melhores materiais

de corte.

Aplicação

Devido as suas características mecânicas, o ferro fundido branco é empregado,

entre outras, nas seguintes aplicações: revestimentos de moinhos, bolas para

moinhos bola, cilindros para laminação para borracha, vidro, plásticos e metais,

rodas de vagões, peças empregadas em equipamentos de britamento de

minérios, moagem de cimento etc.

FERRO FUNDIDO CINZENTO

A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentos está compreendida entre os

seguintes teores:

C – 2,50% a 4,00%

Si – 1,20% a 3,00%

Mn – 0,30% a 1,00%

P – 0,10% a 1,00%

S – 0,05% a 0,255

A ASTM agrupa os ferros fundidos nos tipos apresentados na tabela a seguir. Os

números dessas classes correspondem aos limites de resistência à tração, em

lb/pol2, ou seja, classe 20 = 20.000 lb/pol

2.

No sistema ABNT, por sua vez, os ferros fundidos cinzentos são designados por FC

(ferro fundido cinzento) e por algarismos indicativos dos limites mínimos de

resistência à tração. A tabela a seguir a representa as classes ABNT.



Agosto 2009

Características

Esta liga Fe-C-Si apresenta fácil fusão e moldagem, excelente usinabilidade,

resistência mecânica satisfatória, boa resistência ao desgaste e boa capacidade

de amortecimento. É, dentre os ferros fundidos, a mais usada.

Um fator a se considerar quando se especifica esse ferro fundido é o que

relaciona as propriedades mecânicas com a seção das peças. Isso porque, para

composições fixas de carbono e silício, a resistência diminui à medida que

aumenta a espessura ou seção das peças. Assim sendo, para peças finas, o

carbono e o silício podem apresentar maiores teores e, para peças mais espessas,

a quantidade desses elementos deve ser reduzida, sob pena de queda da dureza

e do limite de resistência à tração.

Tomando-se como exemplo a classe ASTM-25, para manter-se um limite de

resistência à tração entre 18 e 21,5 kgf/mm2 e dureza entre 160 e 220, os teores

de carbono e silício devem situar-se, conforme a espessura das peças, dentro dos

seguintes limites:

Peças finas, até 13mm de espessura:

C – 3,30% a 3,50%

Si – 2,20% a 2,40%

Peças médias, entre 13mm e 25mm de espessura:



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C - 3,20% a 3,40%

Si – 2,20% a 2,40%

Peças grossas, acima de 25mm:

C – 3,00% a 3,20%

Si – 1,90% a 2,20%

Aplicação geral

As classes FC-10 e FC-15, pela excelente fusibilidade e usinabilidade, são

indicadas, principalmente a FC-15, para bases de máquinas, carcaças metálicas

etc.

As classes FC-20 e FC-25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas

operatrizes, tais como barramentos, cabeçotes, mesas etc.

As classes FC-30 e FC-35, devido a sua maior resistência mecânica e maior dureza,

aplicam-se em engrenagens, pequenos virabrequins, bases pesadas e colunas de

máquinas, buchas grandes, blocos de motor etc.

Finalmente a classe FC-40, de maior resistência entre todas as classes, possui

elementos de liga, como níquel, cormo e molibdênio. Face à sua maior tendência

à formação de camada coquilhada, seu emprego é feito em peças de espessura

média e grande.

Outras aplicações dos ferros fundidos cinzentos, além das mencionadas, incluem:

anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços de inspeção, tubos,

conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, engrenagens,

eixos de comando de válvulas, virabrequins e inúmeros outros tipos de peças

utilizadas praticamente em todos os setores industriais.

Aplicação na indústria automobilística

Dadas as importantes aplicações do ferro fundido cinzento na industria

automobilística, a SAE agrupou esse material em cinco classes, conforme mostra

a tabela a seguir.

As aplicações correspondentes são as seguintes:

Classe G 1800 – peças fundidas miscelâneas (no estado fundido ou recozido),

onde a resistência mecânica não é o requisito principal;



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Classe G 2500 – pequenos blocos de cilindro, cabeçotes de cilindros, cilindros

resfriados a ar, pistões, discos de embreagem, carcaças de bombas de óleo, caixas

de transmissão, caixas de engrenagem, tambores de freio para serviço leve;

também para tambores de freio a discos de embreagem para serviço moderado,

onde o alto teor de carbono minimiza o efeito desfavorável do calor;

Classe G 3000 – blocos de cilindro de automóveis e motores Diesel, cabeçotes de

cilindro, volantes, pistões, tambores de freio e caixas de transmissão de tratores

para serviço médio;

Classe G 3500 – blocos de motores Diesel, blocos e cabeças de cilindro de

caminhões e tratores, volantes pesados, caixas de transmissão de tratores, caixas de

engrenagem para serviço pesado, onde se exige alta resistência mecânica e à

fadiga.

Classe G 4000 – peças fundidas para motores Diesel, cilindros, camisas de

cilindro, pistões e eixos de comando de válvulas.

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

tipo de ferro fundido resulta de um ferro fundido branco, de composição

adequada, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial, de longa duração,

chamado maleabilização.



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Após o tratamento, o material que, no estado original é muito frágil, adquire

ductilidade ou maleabilidade – daí o nome – e torna-se mais tenaz.

O maleável é, por vezes, considerado um material intermediário entre o aço e o

ferro fundido cinzento, pois, além de apresentar os característicos fundamentais

desta última liga, com usinabilidade, suas propriedades mecânicas aproximam-se

das dos aços de baixo e médio carbono, com ductilidade razoável, que pode

ultrapassar 10% em alongamento.

A ABNT, pela sua especificação PEB-128, classifica os maleáveis em 14 tipos

(entre maleáveis brancos e pretos), cujas propriedades mecânicas variam dentro

dos seguintes limites:

- limite de escoamento - 19 a 50 kgf/mm2 (valores mínimos)

- limite de resistência à tração - 30 a 70 kgf/mm2 (valores mínimos)

- alongamento mínimo em 3d - 2 a 12%

- dureza Brinell típica - menos de 150 a 285

Aplicação

As melhores ductilidade e tenacidade,aliadas às boas propriedades de resistência

à tração, resistência à fadiga, resistência ao desgaste e usinabilidade, tornam o

material recomendável para muitas e importantes aplicações nas indústrias

mecânica, elétrica, de veículos, de materiais de construção, de tratores, em peças

tais como: conexões para tubulações hidráulicas, conexões em linhas de

transmissão elétrica, correntes, suportes de molas, caixas de direção e de

diferencial, cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freio e de embreagem,

colares de tratores, caixas de engrenagens etc.

Classificação

A ABNT classifica os 14 tipos de ferros fundidos maleáveis conforme a tabela que

se segue.

FERRO FUNDIDO NODULAR

O ferro fundido nodular, também chamado de ferro fundido dúctil caracteriza-se

por excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade. O seu limite de

escoamento é mais elevado do que nos ferros fundido cinzento e maleável e

mesmo do que nos aços-carbono sem elementos de liga.

A grafita, nesses materiais, tema forma esferoidal, que é mais favorável do que a

nodular propriamente dita do ferro maleável e por isso afeta menos a

continuidade da matriz.



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O ferro fundido de origem, para produzir o ferro nodular, possui uma composição

química semelhante à do ferro fundido cinzento comum ou com baixo teor de

liga, compreendendo vários tipos, dentro dos seguinte limites de composição:

O processo de nodulização desses materiais consiste na adição, no metal fundido,

de determinadas ligas contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário. A

liga mais comum é Mg-Si-Fe, visto que o magnésio é, dentre todos os elementos, o

de mais baixo custo. O cério é igualmente muito empregado.

Classificação

A ABNT, e estruturas predominantes, pela sua especificação PEB-585, agrupou o

ferro fundido dúctil em sete classes, indicadas com as respectivas propriedades

(no estado bruto de fusão) e estruturas predominantes, como está na tabela

abaixo.



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O tipo mais utilizado em construção mecânica é o FE-5007. As aplicações gerais

compreendem peças sujeitas a pressão, como compressores, ligoteiras, bielas e

outros tipos de peças que exijam maior resistência ao choque, como

virabrequins, matrizes, mancais, polias, rodas dentadas, engates, sapatas,

tambores de freio etc.

A norma alemã DIN classifica os ferros nodulares, pelas suas propriedades,

conforme está indicado na tabela a seguir.

Por sua vez, a ASTM classifica os ferros nodulares de acordo com as propriedades

mecânicas, da seguinte maneira:

- Classe 60-40-18 – empregada em válvulas e dispositivos para

equipamento de vapor e da indústria química;

- Classe 65-45-12 – componentes de máquinas sujeitos a cargas de

choque e fadiga;

- Classe 80-60-03 – cilindros de secagem de fábricas de papel;

- Classe 80-55-06 – virabrequins, engrenagens e rolamentos;

- Classe 100-70-03 – engrenagens e componentes de máquinas para

suportar elevadas cargas;

- Classe 120-90-02 – pinhões, engrenagens, rolamentos etc.



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Nas classes citadas, o primeiro algarismo corresponde ao limite de resistência à

tração em lb/inch2 (libra por polegada quadrada); o segundo ao limite de

escoamento, dado na mesma unidade. O terceiro, corresponde ao alongamento,

em porcentagem.

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