aços e ferros fundidos

AÇOS E FERROS FUNDIDOS:Obtenção e Classificação

CONTEXTUALIZAÇÃO

Metais Materiais Metálicos: combinação de elementos

metálicos Ligação Metálica

Entre metais e possui como principal característica elétrons livres em torno de cátions e átomos neutros no retículo (Mar de elétrons)

CONTEXTUALIZAÇÃO

Características de compostos metálicos Sólidos nas condições ambientes (exceção: Hg) Possuem brilho (efeito fotoelétrico) Possuem altos PF e PE Conduzem corrente elétrica no estado sólido ou

fundidos São dúcteis (fios) e maleáveis (lâminas)

Principais ligas metálicas (Soluções Sólidas) Ouro 18 quilates (Au e Cu) Aço (Fe e C) Latão (Cu e Zn) Metal monel (Ni e Cu)

INTRODUÇÃO - LIGAS FERROSAS

As ligas ferrosas – aquelas em que o ferro é o constituinte principal – são produzidas em maior quantidade que qualquer outro tipo de metal.

Essas ligas são especialmente importantes como materiais de construção em engenharia.

Seu amplo uso é o resultado de três fatores: Abundância; Produção relativamente econômica; Versatilidade.

Desvantagem: Suscetibilidade à corrosão.

INTRODUÇÃO - LIGAS FERRO-CARBONO

Ligas Ferro-Carbono Na prática, não são ligas binárias, pois sempre se

tem a presença de elemento químicos secundários oriundos da forma de obtenção desses materiais ou adicionados propositalmente para melhorar as propriedades mecânicas.

AÇOS: liga Fe-C contendo geralmente 0,008% até cerca de 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais resultantes do processo de obtenção;

FERROS FUNDIDOS: liga Fe-C-Si, com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%.

AÇOS

“Aço é a liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até, aproximadamente, 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação.”

Características e propriedades: Cor acinzentada; Densidade = 7,8 g/cm³; Temperatura de fusão entre 1250 e 1450º C; Ductibilidade, tenacidade, elasticidade,

resistência mecânica e resiliência; Soldabilidade, temperabilidade, usinabilidade,

forjabilidade.

AÇOS | OBTENÇÃO As matérias-primas básicas e necessárias para

obtenção do aço são: O minério de ferro; O carvão mineral.

Ambos não são encontrados puros na natureza, sendo necessário então um preparo nas matérias-primas de modo a reduzir o consumo de energia e aumentar a eficiência do processo.

Os minérios de ferro encontrados na natureza, presentes em aproximadamente 5% da crosta terrestre são encontrados em combinações químicas de metais contidos nas rochas. Os principais são: magnetita (Fe3O4) com cerca de 60% de ferro; hematita vermelha (Fe2O3) com cerca de 65% de ferro; siderita ou ferro espático (FeCO3) com alto teor de manganês; FeS2.

AÇOS | OBTENÇÃO

Os minérios são encaminhados às Siderúrgicas. A usina siderúrgica é a empresa responsável pela transformação do minério de ferro em aço, de maneira que ele possa ser usado comercialmente.

Primeiramente, o minério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO) – é aquecido em fornos especiais (Alto Fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é formada de materiais indesejáveis ao processo de fabricação).

O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o teor de oxigênio da composição FeO.

AÇOS | OBTENÇÃO

A produção do aço é realizada no Alto Forno, e o equipamento que conhecemos hoje, com eficiência e produtividade, é o resultado de 500 anos de evolução técnica.

AÇOS | OBTENÇÃO Os Alto Fornos modernos

são aparelhos com cerca de trinta metros de altura, consistindo basicamente por dois cones truncados unidos pela base.

No tronco inferior ou cadinho, com cerca de 8 metros ou mais de diâmetro, se acumulam os produtos obtidos, a gusa e a escória.

No topo do cadinho, pelos alcavariz, o ar quente é insuflado.

No tronco superior temos a guela, onde a carga é introduzida e a carburação, redução e dessecação ocorrem.

AÇOS | OBTENÇÃO

AÇOS | OBTENÇÃO1. O minério

2. O minério aglomerado

3. O fundente

4. O coque

5. Caçamba de carregamento

6. Alto-forno

7. Câmara da boca içável e abaixável hidraulicamente, com divisor rotativo

8. “Receptor de Poeiras” para a separação primária das poeiras contidas no gás da

boca, e que são retiradas pela parte inferior

9. Depurador úmido no qual se opera a depuração dos gases da boca por

gotejamento de água. A água é dirigida para uma bacia de decantação

10. Aparelho Cowper em aquecimento pela combustão dos gases da boca

11. Aparelho Cowper “insuflante” para aquecimento do ar circulante enviado

para o alto-forno

12. Insufladores (alcavariz)

13. Ar frio

14. Escória

15. Gusa

16. Tubulagem circular de ar quente seguida de bocais permitindo insuflar ar

quente no alto-forno

17. Poeiras recuperadas para serem aglomeradas com o coque, o minério e o

fundente

AÇOS | OBTENÇÃO O coque é consumido pela

combustão, na temperatura acima de 1500ºC onde todos os produtos não voláteis encontram-se fundidos.

O ferro, de maior densidade, fica depositado no fundo do forno, ao passo que os demais óxidos, que formam a escória, ficam sobre ele, o que possibilita a separação das duas fases.

Nesta condição, o ferro ainda é muito impuro, contendo elevado teor de carbono, e nessa fase recebe o nome de ferro gusa (em inglês, “Pig Iron”).

AÇOS | OBTENÇÃO Detalhando: dentro do Alto Forno

tem-se a seguinte sequência: Introduz-se a carga, composta de

minério de ferro, coque e fundente; Entre 300º C e 350º C temos a

dessecação, onde o vapor de água contido na carga é liberado;

Entre 350º C e 750º C ocorre a redução, onde o óxido de ferro perde o oxigênio;

Entre 750º C e 1150º C temos a carburação, onde o ferro se combina com o carbono formando a gusa;

Entre 1150º C e 1800º C ocorre a fusão, onde a gusa passa para o estado líquido;

Em torno dos 1600º C ocorre a liquefação, onde a gusa se separa da escória.

AÇOS | OBTENÇÃO

AÇOS | OBTENÇÃO

Após a reação, o ferro gusa na forma líquida é transportado nos carros-torpedos (vagões revestidos com elemento refratário) para uma estação de dessulfuração, onde são reduzidos os teores de enxofre a níveis aceitáveis.

Também são feitas análises da composição química da liga (carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre) e a seguir o carro torpedo transporta o ferro gusa para a aciaria, onde será transformado em aço.

AÇOS | OBTENÇÃO

ACIARIA Na aciaria, o ferro gusa é transformado em aço através da

injeção de oxigênio puro sob pressão no banho de gusa líquido, dentro de um conversor.

A reação constitui na redução da gusa através da combinação de elementos de liga existentes (silício, manganês) com o oxigênio soprado, o que provoca uma grande elevação na temperatura, atingindo aproximadamente 1700º C.

Os gases resultantes do processo são queimados logo na saída do equipamento e os demais resíduos indesejáveis são eliminados pela escória, que fica na superfície do metal.

Após outros ajustes finos na composição do aço, este é transferido para a próxima etapa que constitui o lingotamento contínuo.

AÇOS | OBTENÇÃO

LINGOTAMENTO CONTÍNUO No processo de lingotamento contínuo o aço líquido é

transferido para moldes onde se solidificará. O veio metálico é continuamente extraído por rolos e,

após resfriado, é transformado em placas rústicas através do corte com maçarico.

AÇOS | OBTENÇÃO

LAMINAÇÃO Posteriormente, os lingotes devem passar pelo

processo de laminação, podendo ser a quente ou a frio, onde se transformarão em chapas através da diminuição da área da seção transversal.

Assim, pode ser comercializado como chapa, tira, bobina, ...

AÇOS | CLASSIFICAÇÃO

As ligas Ferro-Carbono, como foi visto, apresentam grande variedade de tipos; só os aços são mais de 1200.

Foram, então, criados sistemas de classificação: Composição química

Aços carbono Aços liga

Normas alemãs DIN

Quanto à aplicação do aço Inoxidável Ferramenta

AÇOSCLASSIFICAÇÃO SEGUNDO COMPOSIÇÃO QUÍMICA

A importância do carbono no aço tornou desejável que se dispusesse de uma forma para designar os diferentes tipos de aço, na qual pusesse indica o teor de carbono.

Usa-se um conjunto de quatro algarismos, no qual os dois últimos algarismos indicam o tipo do elemento de liga adicionado ao ferro e carbono.

E os dois últimos algarismos divididos por 100 indicam o teor de carbono no aço.

Por exemplo, o aço ABNT 1020, os dois primeiros algarismos indicam que é um aço ao carbono, e os dois últimos algarismos indicam que o teor de carbono é igual a 0,2% (mais ou menos, permite uma pequena faixa de variação).


Essas designações são aceitas como padrão pela ABNT/SAE/AIS I/ASTM.

Muitos dos aços comerciais não se incluem nesta classificação, ou pelas composições serem diferentes das utilizadas nos tipos previstos, ou por envolverem faixas menores de variação dos teores dos elementos de liga.

Entretanto, estes aços tem aplicações mais específicas e não são mantidos em estoque pelos fornecedores.


Uma outra forma de designar os aços é segundo a norma DIN. E pode ser melhor entendida como demonstrado a seguir: Aços comuns para construção mecânicas

São indicados com o prefixo St seguidos pelo valor da resistência de ruptura a tração em Kgf/mm².

Ex: Aço St 37 (Aço com σr = 37 Kgf/mm²)

Aços carbono de qualidade São classificados com a letra C seguidos pela percentagem de

carbono multiplicado por 100. Ex: Aço C 15 (aço carbono com 0,15% C)

AÇOSCLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS ALEMÃS DIN

Aços liga São indicados por uma expressão de letras e números com os

seguintes significados:1º Número representativo da % de C2º Símbolos químicos dos elementos de liga que mais

caracterizam o aço.3º Percentagem dos elementos de liga dividido por 4-10-100,

respectivamente.

Ex: 15 Cr 3 (Aço cromo – 0,15% C – 0,75% Cr) 22 Cr Mo 54 (Aço cromo molibdênio com–0,22%C–1,25%

Cr–0,4% Mo)

Se a expressão indicativa for precedida por X, o último grupo de número não representa mais a percentagem convencional dos elementos de ligas e sim a percentagem real segundo ordem.

Ex: X 10 Cr Ni Ti 1892 (Aço com: 0,1%C – 18% Cr – 9% Ni – 2% Ti)

AÇOSCLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS ALEMÃS DIN

Aços de usinagem fácil Tem essa denominação, pois além de manterem boas

propriedades mecânicas, apresentam “corte fácil”.

A excelente usinabilidade, conseguida nesses materiais, deve-se a adição de Enxofre, Manganês e Chumbo.

Ex: aço ABNT 1111, aço ABNT 1112

AÇOSCLASSIFICAÇÃO QUANTO A APLICAÇÃO DO AÇO

Aços para cementação A cementação consiste na introdução de carbono na

superfície do aço de modo que este, depois de temperado e revenido, apresente uma superfície mais dura.

A cementação é empregada quando se deseja uma superfície dura e resistente ao desgaste, sobre um núcleo tenaz e insensível a choques e a flexão (engrenagens, eixos, pinos, outros).

Podem ser cementados os aços carbonos e os aços ligas de baixo teor de C (0,08 a 0,25%)

Ex: aço ABNT 1020, aço ABNT 8620.


Aços para beneficiamento Os aços para beneficiamento são indicados para a

construção de elementos de máquinas de pequenas dimensões, alta resistência e máxima tenacidade.

Estes aços apresentam elevado limite de elasticidade, bom alongamento e grande resistência.

O beneficiamento é um tratamento térmico composto de têmpera e de revenido.

O beneficiamento melhora as propriedades mecânicas do aço, como a resistência a tração e dureza. Principalmente, a resistência a solicitações dinâmicas.



Aços para molas Esses aços devem apresentar: alto limite de

elasticidade, elevada resiliência, grande resistência mecânica e alto limite de fadiga.

Quando as molas destinam-se a cargas fracas usam-se aços carbono, para cargas de alta intensidade usam-se aços ligados, como Aços Cr ou Aços Ni Cr Mo.



Aços para ferramentas e matrizes Estes aços além de apresentarem alta dureza e elevada

resistência ao desgaste, devem possuir, boa endurecibilidade, elevada resistência mecânica, elevada resiliência, resistência ao calor, usinabilidade razoável.

As altas durezas e resistência ao desgaste são conseguidas pelo alto teor de carbono ou pela adição de elementos de ligas que aumentam também as outras propriedades.

Ex: aço ABNT O1 (Oil – Óleo), aço ABNT A2 (Air – Ar).


Aços resistentes à corrosão Esses aços também chamados aços inoxidáveis,

caracterizam-se por uma resistência a corrosão superior a dos outros aços.

Sua denominação não é totalmente correta, porque na realidade os próprios aços ditos inoxidáveis são passíveis de oxidação em determinadas circunstâncias. A expressão é mantida por tradição.

Quanto a composição química, os aços inoxidáveis caracterizam-se por um teor mínimo de cromo da ordem de 12%.

Ex: aço ISI 410, aço ISI 302.


Aços para fins elétricos e magnéticos

Destinados a fabricação de núcleos de equipamentos eletromagnéticos, geralmente caracterizado por alto teor de silício.


Aços resistentes ao calor

Caracterizam-se por apresentar resistência química e mecânica a ação de altas temperaturas.


DIFERENÇA ENTREAÇOS E FERROS FUNDIDOS

DIFERENÇA ENTRE AÇOS E FERROS FUNDIDOS

A diferença entre AÇOS e FERROS FUNDIDOS pode ser observada no Diagrama de Equilíbrio das Ligas Ferro-Carbono.

Como veremos posteriormente, diagrama de fase ou equilíbrio são representações gráficas de um sistema de ligas, por meio dos quais os estados físicos e os constituintes estruturais (fases), em suas quantidades relativas, são conhecidos em função das composições, temperaturas, e normalmente sob pressão atmosférica. Os diagramas normalmente são determinados sob condições de equilíbrio.

O estudo do diagrama de fase (ou de equilíbrio), é de grande importância para o técnico mecânico, pois o mesmo serve de instrumento para compreender e prever o comportamento dos metais e suas ligas nas transformações térmicas, como a solidificação, fusão, tratamentos térmicos e processos de difusão.

INTRODUÇÃO – DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DAS LIGAS FERRO-CARBONO

FERROS FUNDIDOS

FERROS FUNDIDOS

“Ferro fundido é a liga ferro-carbono-silício com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%.”

fofo > Ferro Fundido

FERROS FUNDIDOS | OBTENÇÃO

O ferro fundido, normalmente é obtido da fusão do ferro gusa com sucata (até 50%), em fornos do tipo cubilô, ou fornos elétricos.

O carbono está presente nos ferros fundidos sob duas formas: Grafite (carbono puro) – ferro fundido cinzento, nodular

e, parcialmente, no maleável. Cementita (carboneto de ferro Fe3C) – ferro fundido

branco e, parcialmente, no maleável.

Os principais elementos que influenciam, na obtenção do tipo de ferro fundido, são o silício e o manganês, sendo que o primeiro elemento químico favorece na obtenção do fofo cinzento e o segundo elemento químico favorece na obtenção do fofo branco.

FERROS FUNDIDOS | CLASSIFICAÇÃO


Ferro fundido branco A superfície recém-cortada tem aparência clara devido à

ausência de grafite, uma vez que quase todo o carbono está na forma de carboneto.

É extremamente duro e resistente ao desgaste, mas é quebradiço e de difícil usinagem, mesmo com as melhores ferramentas.

Em peças, suas aplicações são limitadas a casos onde a dureza e a resistência à abrasão são fundamentais, como cilindros de laminação, matrizes de estampagem, etc. Em geral, é usado na forma mesclada. Neste caso, alguns elementos de liga, como níquel, cromo e molibdênio, podem ser adicionados para controlar a profundidade da camada e melhorar a resistência ao desgaste e à oxidação.

Uma composição típica de ferro fundido branco é 3-3,6% C, 0,8% Si, 1,3% Mn, 3,3-5% Ni, 1,4-4% Cr, 1% Mo, 0,15% S, 0,3% P.


Ferro fundido branco


Ferro fundido maleável O ferro fundido maleável é obtido a partir do branco. A

ductilidade não é das mais altas, algo na faixa de 10%.

O processo de maleabização consiste em aquecimento prolongado, em condições de temperatura, tempo e meio adequadas, provocando a transformação total ou parcial do carbono combinado em grafita.

Pode-se dizer que apresenta valores entre os do ferro fundido cinzento e os do aço.

Algumas vantagens são a facilidade de usinagem e a boa resistência ao choque. Mas apresenta uma certa contração na solidificação, o que exige cuidados na fundição para evitar falhas.

Algumas aplicações: conexões para tubulações, sapatas de freios, caixas de engrenagens, cubos de rodas, bielas, etc.


Ferro fundido maleável


Ferro fundido cinzento Caracteriza-se por apresentar fratura cinzenta com grãos

finos.

A forma da grafita (lamelar, acicular, esferoidal), serve para classificar os ferros fundidos cinzentos.

O fofo nodular ou esferoidal, possui ótima fluidez e ótima usinabilidade.

São designados pelos algarismos FCXX, os dois primeiros algarismos indicam que é fofo cinzento, e os dois últimos algarismos representam o limite de resistência a tração.

Ex: FC10, fofo cinzento com L.R. a tração de 10 Kgf/mm².


Ferro fundido cinzento Como resultado, uma peça peça de ferro fundido

cinzento não tem, na prática, comportamento elástico, mas dispõe de um elevado fator de amortecimento de vibrações, característica importante no caso de máquinas operatrizes.


Ferro fundido cinzento Vantagens:

elevada capacidade de amortecimento de vibrações.

usinagem facilitada pelos veios de grafita, que favorecem a quebra de cavacos e a durabilidade das ferramentas.

razoavelmente resistente à corrosão de vários ambientes comuns (superior aos aços-carbono).

boa fluidez, facilitando a fundição de peças complexas.

boas características de deslizamento a seco devido à presença da grafita.

baixo custo de produção.


Ferro fundido cinzento Desvantagens:

estruturalmente, os veios de grafita atuam como espaços vazios, reduzindo a resistência mecânica.

Normalmente, tensão máxima de trabalho recomendada cerca de 1/4 da tensão de ruptura. Carga máxima de fadiga cerca de 1/3 da resistência à fadiga.

é quebradiço, pouco resistente a impactos.

características de usinagem variam com as dimensões da seção da peça.


Ferro fundido cinzento


Ferro fundido dúctil (ou nodular) O ferro fundido dúctil é amplamente empregado por

apresentar um bom compromisso entre custos e propriedades mecânicas, algumas delas próximas dos aços.

A adição de pequenos teores de elementos como Mg, Ca, Ce a um ferro fundido comum produz grafita em forma de nódulos quase esféricos.

A ductilidade é claramente vista pelos valores de alongamento, que podem chegar a 18% ou mais (25% por exemplo). Limites de resistência à tração podem ser tão altos quanto 800 MPa. Outra característica importante é a baixa contração na solidificação, o que facilita a produção e reduz o custo de peças fundidas.

Algumas aplicações: válvulas para vapor e produtos químicos, cilindros para papel, virabrequins, engrenagens, etc.


Ferro fundido dúctil (ou nodular)

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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KRAUS, G. Steels: Processing, Structure and Performance. ASM International, 2005.

REMY, A; GAY, M; GONTHIER, R. Materiais. São Paulo, 1990.

VAN VLACK, L. Princípio de Ciência dos Materiais. Editora Edgard Blücher, 1970.

Grande Enciclopédia Larousse Cultural, vols. 1 e 22. Editora Nova Cultural. São Paulo, 1998.

aços e ferros fundidos

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