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SENAI
“Roberto Simonsen”
Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
Módulo: Processo de Fabricação
INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA
A Produção Siderúrgica.
Começando pelo começo de tudo, com a obtenção do principal componente siderúrgico
utilizado na indústria como um todo, o “Ferro Gusa”.
O ferro gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão, e
demais fundentes num alto forno. O ferro gusa normalmente contém de 5 a 8% de carbono (C),
o que faz com que depois de solidificado, seja um material quebradiço e sem grande uso
direto.
Geralmente nos processos industriais, o ferro gusa é considerado como uma liga de ferro (Fe)
+ carbono (C), contendo de 5 a 8% de carbono (C), e outros elementos ditos residuais, como
por exemplo: silício (Si), manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S), dentre outros. Elementos
estes residuais da adição para propiciar a redução, de modo a auxiliar no processo.
A carga num alto-forno é feita na parte superior e consta dos seguintes componentes básicos:
minério de ferro a reduzir (hematita), coque ou carvão de lenha (para fornecer o calor e o CO
necessários à redução), e fundentes auxiliadores (calcário, dolomita e sílica), para fluidificar as
impurezas e formar uma escória mais fusível.
Na parte inferior, logo acima do cadinho é injetado ar quente (rico em O2 dissolvido) para
alimentar a combustão do carvão, e ainda acelerar o processo de oxidação.
Das reações que se dão resultam os seguintes produtos-processos:
1. Gusa que goteja dentro do cadinho;
2. A escória que flutua sobre a gusa;
3. Gases oriundos do processo.
A gusa é recolhida para posteriores transformações (obtenção de ferro fundido e aço), a
escória é aproveitada para o fabrico de tijolos refratários, cimento, lã mineral e lastro de
pavimentação.
Os gases saem pela parte superior e são recolhidos para sua utilização como combustível (gás
de coque ou Gás de Alto forno)
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Figura 1. Fluxo Esquemático de um Alto-Forno.
Figura 2. Fluxo Esquemático de um Alto-Forno.
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Aços.
Os aços são ligas metálicas, formadas basicamente por: Ferro (Fe) e Carbono (C).
São processados na aciaria, por meio de lingotes de ferro gusa, em fornos especiais, onde o
teor de carbono é baixado consideravelmente. São introduzidos outros elementos de liga,
inclusive a sucata de aço (melhorar rendimento e adição de elementos de liga).
São utilizados como elementos de liga, e como materiais auxiliadores, os seguintes materiais:
silício (Si), alumínio (Al), manganês (Mn), enxofre (S), fósforo (P), nióbio (Nb) e tungstênio (W),
etc.
Figura 3. Fluxograma de Obtenção do Aço.
As principais características dos aços são:






Pode ser trabalhado com ferramenta de corte (usinado);
Pode ser curvado;
Pode ser dobrado;
Pode ser forjado;
Pode ser soldado;
Pode ser laminado/extrudado e estirado.
O aço é um produto resultante do:
1) Do refino da gusa bruta no conversor Bessemer ou LD ou Thomas (figuras abaixo) a
ar ou a oxigênio.
No conversor o oxigênio ou o ar é insuflado entre a massa líquida deixando-a borbulhar.
Esses conversores são usados para refino da gusa rica em silício (Si) e pobre em fósforo
(P), também serve para o refino do Chumbo (Pb), Cobre (Cu) e Níquel (Ni).
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Figura 4. Esquemático de um Conversor Bessemer.
2) Do refino da gusa bruta, com adição de sucatas de aço ou de ferros fundidos, em
fornos como o Siemens-Martin e Elétricos (a Arco ou Indução).
Figura 5. Esquemático de um Forno Simens-Martin.
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Figura 6. Esquemático de um Forno Elétrico a Arco.
3) Da refusão de sucata de aço em qualquer forno, menos do tipo conversor. A
temperatura de fusão do aço é em torno de 1350 à 1400° C.
Figura 7. Esquemático de um Forno LD (Lintz-Donavitch).
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Os aços numa forma geral podem ser classificados em 5 (cinco) tipos, quanto à formulação e
aplicação. São estas as classificações:





Aços ao Carbono (de baixo, de médio e de alto teor de C);
Aços Baixa Liga;
Aços Alta Liga;
Aços Ferramentas (ou Aços Finos);
Aços Inoxidáveis.
Ferros Fundidos.
A gusa retirada do alto-forno pode ser solidificada em blocos. Refundido num forno chamado
Cubilô (Cubillot), junto com sucatas de ferro fundido e aço, dá origem ao ferro fundido. Os
ferros fundidos são assim denominados quando sofrem tais transformações, e com adições de
C e Si, sendo que os valores variam de 2,1 a 5% de C.
As impurezas do minério de ferro e do carvão, deixam no ferro fundido, pequenas
porcentagens de silício (Si), manganês (Mn), enxofre (S) e fósforo (P). Os dois primeiros
melhoram as qualidades do ferro fundido, o mesmo não acontecendo com os outros dois.
O silício favorece a formação do ferro fundido cinzento e o manganês, o ferro fundido branco.
Os ferros fundidos são classificados em 4 (quatro) tipos, sendo:

Ferro Fundido Branco;

Ferro Fundido Cinzento;

Ferro Maleável;

Ferro Nodular.
A temperatura de fusão é em torno de 1200° C, variando significativamente de acordo com os
valores dos materiais de adição.
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Figura 8. Esquemático de um Forno Cubilô.
Figura 9. Imagens de Fornos Cubilô.
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Características do Ferro Fundido Cinzento:
a) O carbono se apresenta quase todo em estado livre, sob a forma de palhetas pretas de
grafita;
b) Quando quebrado, a parte fraturada é escura devido à grafita;
c) Apresenta elevadas porcentagens de carbono, 3,5 a 5 % e silício 2,5 %;
d) Muito resistente à compressão.
e) Não resiste bem à tração;
f) Fácil de ser trabalhado pelas ferramentas manuais e de ser usinado nas máquinas;
g) Funde-se a 1200° C, apresentando-se muito líquido, condição que é a melhor para a boa
modelagem de peças.
Características do Ferro Fundido Branco:
a)
b)
c)
d)
Quando quebrado, a parte fraturada é brilhante e branca;
Tem baixo teor de carbono, 2,5 a 3 % e silício 1 %;
Muito duro, quebradiço e difícil de ser usinado;
Funde-se a 1160 ° C, mas são é bom para a modelagem porque permanece pouco
tempo em estado líquido.
Características do Ferro Fundido Nodular:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Quando quebrado, a parte fraturada é acinzentada, e assemelha-se ao aço em fratura;
Tem baixo teor de carbono, 2,0 a 2,5%, silício até 3 %, e chumbo até 0,5 %;
Tenaz e com ótima usinabilidade;
Muito resistente à compressão.
Boa resistência à tração;
Funde-se a 1300 °C;
Estrutura é esferoidizada, com ótima rigidez e baixa distorção.
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AÇOS AO CARBONO.
É uma liga de ferro-carbono que contém 0 a 2 % de carbono (industrialmente de 0,05 a 1,7 %).
Apresenta também pequenas porcentagens de manganês, silício, fósforo e enxofre.
Depois do ferro o carbono é o elemento mais importante. É o elemento determinativo do aço: a
quantidade de carbono define o tipo de aço em doce ou duro. O aumento do carbono resulta no
aumento da dureza e da resistência à tração e diminuição da resistência e da maleabilidade.
No aço doce, o manganês, em pequena porcentagem torna-o dúctil e maleável. No aço rico em
carbono, entretanto, o manganês endurece o aço e aumenta-lhe a resistência.
O silício torna o aço mais duro e tenaz, evita a porosidade, remove os gases, os óxidos, as
falhas e vazios na massa do aço. É um elemento purificador.
O fósforo quando em teor elevado torna o aço frágil e quebradiço, motivo pelo qual se deve
reduzi-lo ao mínimo possível, já que não se pode eliminá-lo integralmente.
O enxofre é também um elemento prejudicial ao aço, tornando-o granuloso e áspero, devido
aos gases que produz na massa metálica. O enxofre enfraquece a resistência do aço.
Característica Técnicas do Aço ao Carbono:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Cor acinzentada;
Peso específico: 7,8g/cm³;
Temperatura de fusão: 1350 a 1400º C;
Maleável (lamina-se bem);
Dúctil (estira-se bem em fios);
Tenaz (resiste bem à tração, à compressão e a outros esforços de deformação lenta);
Deixa-se soldar, isto é, uma barra de aço liga-se a outra pela ação do calor (solda
autógena) ou pela ação combinada do calor com os choques, na bigorna ou no martelete
(caldeamento);
Deixa-se trabalhar bem pelas ferramentas de corte;
Apresenta boa resiliência, isto é, resiste bem aos choques;
Com determinadas porcentagens de carbono, apresenta condições especiais de dureza
(adquire têmpera);
Com determinadas porcentagens de carbono, é mais elástico;
Oferece grande resistência à ruptura.
8.
9.
10.
11.
12.
Pelo teor de C costuma-se classificar os aços em:






Aços extra-doces = < 0,15 % C.
Aços doce = 0,15 - 0,30 % C.
Aços meio-doces = 0,30 - 0,40 % C.
Aços meio-duros = 0,40 - 0,60 % C.
Aços duros = 0,60 - 0,70 % C.
Aços extra-duros = 0,70 - 1,20 % C.
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AÇOS LIGA OU AÇOS ESPECIAIS
Além do ferro-carbono contém outros elementos, chamados elementos de adição: níquel,
cromo, manganês, tungstênio, molibdênio, vanádio, cobalto, silício e alumínio.
Estes elementos são adicionados em quantidades que proporcionam determinadas
características ao aço, tais como: resistência à tração e à corrosão, elasticidade, dureza, etc.,
bem melhores do que as dos aços-carbono comuns.
Dependendo da porcentagem dos elementos obtém-se: aços de usinagem, aços para
cementação, aços para beneficiamento, aços para molas, aços para ferramentas, aços
resistentes à corrosão e ao calor (inoxidáveis), aços com propriedades físicas especiais, aços
para válvulas de motores de explosão, etc...
Aço prata é uma denominação comercial dos aços ferramentas (ao carbono ou especial) de
bitola pequena, temperáveis em água ou em óleo. Apresenta aparência brilhante, prateada.
Formas Comerciais dos Aços
Os aços de baixo teor de carbono (< 0,30 %) são vendidos na forma de vergalhões, perfilados
(L, T, duplo T, H, U, etc.) chapas, fios e tubos.
Os aços com médio e alto teor de carbono (> 0,30 %) são encontrados no comércio na forma
de vergalhões (chatos, quadrados, redondos, sextavados) chapas e fios.
As chapas são em geral:
 Chapas pretas: tais como saem dos laminadores;
 Chapas galvanizadas: revestidas de zinco;
 Chapas estanhadas (folhas de flandres).
Medidas padronizadas: 1250 x 3000 x (e) mm ou 1500 x 3000 x (e) mm.
Os tubos podem ser:
 Com costura: resultam da curvatura de chapas estreitas, cujas bordas são
encostadas e soldadas por processo automático.
 Sem costura: produzidos por meio de perfuração, a quente, em máquinas chamadas
prensas de extrusão.
Medidas padronizadas: d x 3000 x (e) mm ou d x 6000 x (e) mm.
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CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS
1 - Classificação da DIN (alemã)
a) Aços ao Carbono:
Usa-se o símbolo St (stahl = aço), seguido da resistência mínima à tração.
Ex.: St 42 (str = 42 Kg/mm²)
No caso de aços de qualidade emprega-se a letra C seguido do teor de carbono multiplicado
por 100.
Ex.: C 35 (teor médio de C = 0,35 %)
Quando o aço é fino (c/baixo teor de P e S), usa-se o símbolo CK seguido do teor médio de C
multiplicado por 100.
Ex.: CK 15 (aço fino com teor médio de C = 0,15 %)
b) Aços Liga
No caso de baixa liga, os aços são representados de acordo com o seguinte exemplo:
Ex.: 10 Cr Mo 9 10 C = 0,10 %



Cr x 4 = 9
Cr = 2,25 %
Mo x 10 = 10 Mo = 1 %
No caso de aços de alta liga (> 5%) a designação é feita antepondo- se a letra X, e
dispensando os multiplicadores com exceção do multiplicador do C.
Ex.: X 10 Cr Ni Ti 1892 0,1 % C 18 % Cr 9 % Ni 2 % Ti
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Aços e ferros fundidos:




GG (grauguss) fofo cinzento;
GH (hartguss) fofo em coquilha;
GT (temperguss) fofo nodular;
GS (stahlguss) aço fundido.
Ex.: GG 18 - fofo cinzento com str = 18 Kg/mm².
GS 22 Mo 4 - aço fundido com 0,22 C e 0,4 % Mo
Símbolos Complementares:
 M - aço Siemens-Martin Y � aço L.D.
 T - aço Thomas E � aço de forno elétrico
 W - aço Bessemer
Ex.: MSt 60 aço Siemens-Martin com str = 60Kg/mm²






B -.por usinagem (Bearbeiten)
V - beneficiado (verguten)
E - cementado (Einsatzhaerten)
N - normalizado (Normalgluehen)
G - recozido (Gluehen)
K - deformado a frio.
Ex.: M 16 Mn Cr 5 G = aço Siemens-Martin recozido mole
E 36 Cr Ni Mo 4 V = aço de forno elétrico, beneficiado.
2 - Classificação da ABNT
É a adotada pela SAE. Os dois primeiros algarismos definem o tipo de aço e os dois últimos
(XX) o teor de C divido por 100.
Ex.: SAE 3150 (1,25 Ni, 0,65 Cr, 0,50 % C)
Os aços fundidos são designados por 4 (quatro) algarismos seguidos por AF. Os dois primeiros
indicam a tensão de ruptura em Kg/mm² e os dois últimos a elongação em %.
Ex.: 4524 AF
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Tabela 1. Tabela com os Respectivos Aços e Equivalências.
3 - Classificação da ASTM (American Standarts of Testing and Materials)
As normas ASTM (American Standarts of Testing and Materials) são as normas técnicas mais
adotadas em relação aos materiais de construção, empregados na fabricação sistemas
mecânicos e estruturas, como: tubos, acessórios, perfis, vigas e chapas, assim como os
componentes e acessórios de válvulas e instrumentos. Embora as normas DIN/EN, e as
normas ABNT, também apresentem especificações a esse respeito, vê-se nesta norma uma
grande vantagem com relação ao critério de controle e restrições aos elementos de ligas, e
ainda os processos de fabricação empregados.
Devemos então entender qual o significado de cada elemento que aparece na especificação de
uma norma, analisando esses dois exemplos:
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Ex.: ASTM A-161 GrA;
ASTM B-247
ASTM A-… ou B-…, são letras que aparecem nos exemplos, logo depois das iniciais da
entidade (ASTM), que indicam o tipo de materiais.
São 5 (cinco) as letras possíveis, sendo cada uma para um dos materiais diferentes, como
especificado a seguir:

A – família de materiais metálicos e aços – aços ao carbono, aços ligas, aços
inoxidáveis, etc;

B – família dos materiais metálicos não-ferrosos – cobre e suas ligas, bronze e suas
ligas, alumínio e suas ligas, etc;

C – família dos materiais cerâmicos e fibrocimentos;

D – família dos materiais plásticos e compostos (PVC, PVA, PP, PEAD, etc);

E – família dos materiais elastômeros (PU, ABS, Buna “N”, etc).
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Tabela 2. Tabela com Alguns dos Aços ASTM, e suas Composições.
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INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS

ALUMINIO (Al) - Tem efeito semelhante ao do silício. É considerado um importante
desoxidante na fabricação do aço. Apresenta também uma grande afinidade pelo
nitrogênio e, por esta razão, é um elemento de liga muito importante para os aços que
serão submetidos à nitretação, pois facilita a penetração do nitrogênio.

BORO (B) - Quando adicionado em quantidade variável de 0,001 a 0,003 % melhora a
temperabilidade, a penetração de tempera, a endurecibilidade, a resistência à fadiga,
as características de laminação, forjamento e usinagem.

CHUMBO (Pb) - Ele não se liga ao ferro, quando adicionado a este, espalha-se
uniformemente na sua massa em partículas finíssimas. Uma adição de 0,2 a 0,25 % Pb
melhora grandemente a usinabilidade dos aços sem prejudicar qualquer sua
propriedade mecânica.

COBALTO (Co) - Sozinho não melhora os aços. É sempre utilizado em liga com outros
metais, como o Cr, Mo, W, V. O Co confere aos aços uma granulação finíssima, com
grande capacidade de corte, e resistência ao calor, como nos aços rápidos, influi nas
propriedades magnéticas. Os aços com Co são empregados em ferramentas com altas
velocidades de corte.

COBRE (Cu) - Aumenta o limite de escoamento e a resistência do aço, mas diminui o
alongamento. O principal efeito é o aumento da resistência à corrosão atmosférica. A
presença de 0,25 % Cu no aço é suficiente para dobrar esta resistência em relação aos
aços carbono comuns.


CROMO (Cr) - Aumenta a resistência ao desgaste, à dureza e moderadamente a
capacidade de corte. Aumenta a penetração de tempera. É o principal elemento nos
inoxidáveis, frente à capacidade NOX deste com o O2.

ENXOFRE (S) - Prejudicial ao aço, pois o torna frágil e quebradiço. Para fabricação em
série de peças pequenas usam-se aços resulfurados. A adição de S proporciona aços
de fácil usinagem, pois os cavacos se destacam em pequenos pedaços.

FÓSFORO (P) - É uma impureza normal existente nos aços. É prejudicial. Sua única
ação benéfica é a de aumentar a usinabilidade dos aços de “corte fácil”.

MANGANES (Mn) - Depois do carbono, é talvez o elemento mais importante no aço.
Baixa a temperatura de tempera e diminui as deformações por ela produzidas. O Mn dá
bons aços de tempera em óleo, mas dificulta a usinagem por ferramentas cortantes. Os
aços apresentam boa solda e fácil forjamento. Aços com 1,5 a 5 % Mn são frágeis mas
duros. Com 0,8 a 1,5 % C e 11 a 14 % Mn são dúcteis, resistentes ao desgaste e aos
choques. Os aços Mn são empregados em ferramentas, machos, cosinetes, pentes de
roscas, etc.

MOLIBDÊNIO (Mo) - Os aços Mo apenas, são poucos tenazes, por isso o Mo nunca é
utilizado sozinho, mais com outros elementos de liga como Cr, W, etc. Proporciona
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aços de granulação fina. Juntamente com o Cr dá aços Cr-Mo, de grande resistência,
principalmente aos esforços repetidos. Proporciona aços rápidos, empregados na
construção de estampos, matrizes, laminas de corte submetidas a grandes cargas, etc.

NÍQUEL (Ni) - É o mais importante dos elementos liga que aumentam a tenacidade, a
carga de ruptura e o limite de elasticidade dos aços. Dá boa ductilidade e boa
resistência a corrosão. Teores elevados de Ni produzem aços inoxidáveis.
O Ni permite grande penetração de tempera. Os aços Ni apresentam grande
tenacidade e alta resistência mecânica também a altas temperaturas. Aços com 1 a 3
% Ni são empregados em ferramentas.

SILÍCIO (Si) - É praticamente pouco usado sozinho. Torna os aços de forjamento difícil
e praticamente não soldáveis. É usado em geral em ligas com o Mn, Mo, Cr. O Si é o
único metaloide que pode ser utilizado nos aços sem prejudicá-los. Aumenta a
temperatura e a penetração de tempera, assim como a elasticidade e a resistência.
Suprime o magnetismo. Acalma os aços e melhora a resistência à corrosão
atmosférica.

TUNGSTÊNIO (W) - Elemento importante na formação de aços rápidos. Dá aos aços
maior capacidade de corte e maior dureza. Os aços rápidos com liga de W conservam
o fio de corte mesmo quando, pelas condições de trabalho, aquecem ao rubro. Os aços
com 13 a 18 % W apresentam grande resistência mesmo em elevadas temperaturas.
São empregados em ferramentas de corte de todas as espécies.

VANADIO (V) - O V é excelente desoxidante. Os aços que contem V são isentos de
bolhas de gás e portanto altamente homogêneos, dando a eles maior capacidade de
forjagem, estampagem e usinagem. Em virtude de sua alta resistência, as ferramentas
de aço V podem ter secções bastante reduzidas. O V entra em quase todas as ligas
que compõem os aços rápidos. Geralmente os aços Cr-V contem 0,13 a 1,1 % C, 0,5 a
1,5 % Cr, 0,15 a 0,3 % V. São empregados na fabricação de talhadeiras para máquinas
rebarbadoras e ferramentas para grandes esforços: chaxes, alicates, alavancas, etc.
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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DO FERRO-CARBONO (Fe-C).
As ligas de ferro – carbono são as mais utilizadas dentre todas as ligas metálicas. O ferro é um
metal abundante na crosta terrestre e caracterizam-se por ligar-se com outros elementos,
metálicos ou não metálicos, dos quais o principal é o carbono. O diagrama ferro - carbono é
fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre com as ligas ferrosas quando
submetidas a operações de tratamento térmico, que modificam suas propriedades mecânicas
para aplicações sob as mais variadas condições de serviço.
Inicialmente, observaremos as transformações do elemento ferro quando submetido ao
aquecimento ou resfriamento lento.
O ferro, como todos os metais tem uma estrutura cristalina. A disposição própria e regular dos
átomos de cada metal, em forma de cristais, se chama rede cristalina ou reticulado cristalino.
Alotropia do Ferro Puro.
 ALOTROPIA: é um fenômeno químico que consiste em poder um elemento químico
cristalizar-se em mais de um sistema cristalino e ter por isso diferentes propriedades físicas.
 FENÔMENO DE CRISTALIZAÇÃO: é o fenômeno em que as “células unitárias” se reúnem
e forma uma rede cristalina ou retículo cristalino.
 CÉLULA UNITÁRIA: é o agrupamento dos átomos metálicos que procuram ocupar posições
definidas e ordenadas que se repetem em três dimensões formando uma figura geométrica
regular.
São:
I - Reticulado Cúbico de Corpo Centrado (CCC)


Contem 9 átomos
Metais: Césio, Rubídio, Potássio, Sódio, Tungstênio, Molibdênio, Vanádio, e Ferro
(temperatura ambiente).
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II - Reticulado Cúbico de Face Centrada (CFC)


Contem 14 átomos
Metais: Cálcio, Chumbo, Ouro, Prata, Alumínio, Cobre, Cobalto, Níquel e Ferro.
(temperaturas elevadas)
III - Retículo Hexagonal Compacto (HC) (Disposição Compacta)


Contém 17 átomos
Metais: Magnésio, Zinco, Titânio, etc...
O conjunto de “células unitárias” forma os cristais. Os cristais adquirem contornos irregulares,
devido aos pontos de contato de cada conjunto e desse modo passam a receber o nome de
“Grãos Cristalinos”
O “Grão Cristalino” é constituído por milhares de células unitárias, conforme vê-se a seguir na
figura abaixo:
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
Figura 10. Exemplificação do Formato de uma Célula Unitária.
Os grãos podem ser observados melhor com auxílio de um microscópio metalográfico. A figura,
abaixo, ilustra uma peça de aço de baixo teor de carbono, com a superfície polida e atacada
quimicamente ampliada muitas vezes.
As regiões claras e escuras, todas com contornos bem definidos como se fosse uma colméia,
são os grãos.
Figura 11. Estrutura Cristalina de um Aço ao Carbono.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Data:
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Semestre:
3°
O ferro sólido, quando aquecido ou resfriado, apresenta diferentes estruturas em seu reticulado
cristalino; conseqüentemente, suas propriedades também ficam diferentes. Esse fenômeno se
denomina alotropia e é representado pelas letras do alfabeto grego: α, β, γ, δ, etc.
O gráfico a seguir mostra a curva característica de resfriamento ou aquecimento do ferro puro e
sua correspondente transformação alotrópica.
Figura 12. Gráfico com as Curvas Características X Correspondente Transformação Alotrópica.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
No intervalo de 1538ºC e 1394ºC o ferro puro se solidifica em reticulado cúbico de corpo
centrado CCC, chamado Fe δ (ferro delta).
A 1394ºC se realiza a reestruturação do reticulado cúbico de corpo centrado em reticulado
cúbico de face centrada permanecendo até 912ºC. O reticulado cúbico de face centrada CFC
denomina-se Fe γ (ferro gama) ou austenita*.
A 912ºC o ferro puro sofre mudança na estrutura do reticulado novamente para cúbico de corpo
centrado CCC, chamado Fe α (ferro alfa) ou ferrita**. Abaixo dessa temperatura, a estrutura do
reticulado do ferro é cúbica de corpo centrado.
O trecho abaixo de 770ºC não representa mudança de estrutura do reticulado, mas o
surgimento de propriedades magnéticas do ferro; o Fe α abaixo de 770ºC é magnético e acima
de 770ºC não tem propriedades magnéticas.
A mudança estrutural do reticulado cristalino do ferro traz consigo a modificação de suas
propriedades; assim, o Fe α quase não dissolve o carbono; o Fe γ dissolve até 2,11% de
carbono e o Ferro γ dissolve até 0,09% de carbono. Essa situação ocorre devido à estrutura
cúbica de face centrada do Fe γ apresentar uma distância maior entre os átomos do que a
estrutura cúbica de corpo centrado do Fe α e Fe δ, então é mais fácil aceitar átomos estranhos,
como por exemplo, átomos de carbono. A esse fenômeno damos o nome de solubilidade no
estado sólido.
O ferro puro raramente é usado, embora os leigos denominem assim grande parte dos aços.
Este, comumente está ligado com o carbono.
No gráfico apresentado foi vista a curva de resfriamento ou aquecimento do ferro puro com
indicações das formas alotrópicas e suas respectivas temperaturas de transformação. Nas
ligas de ferro – carbono existem também as formas alotrópicas α e γ, mas as temperaturas de
transformação oscilam em função do teor de carbono na liga.
O diagrama abaixo, de fase ferro – carbono, auxilia na visualização dessas oscilações
importantes para o estudo dos aços e ferros fundidos.
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Figura 13. Diagrama de Fases Fe-C.
O diagrama de fase ferro - carbono pode ser dividido em três partes:
 De 0 a 0,008%C – Ferro puro;
 De 0,008 a 2,11%C – Aço;
 De 2,11 a 6,69%C – Ferro fundido.
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3°
Fases relevantes do diagrama ferro – carbono:
1.
2.
Ferrita (α) - solução sólida de carbono em ferro CCC, existente até a temperatura de
912ºC, caracteriza-se pela baixa solubilidade de carbono no ferro, chegando ao máximo
de 0,0218% a 727ºC.
Austenita (Fe γ) - solução sólida de carbono em ferro CFC, existindo entre as
temperaturas de 912ºC e 1495ºC, e com solubilidade máxima de carbono no ferro de
2,11% a 1148ºC.
3.
Ferrita (δ) – solução sólida de carbono em ferro CCC, sendo estável até 1538ºC,
quando o ferro se liquefaz. A solubilidade do carbono é baixa, atingindo um máximo de
0,09% a 1495ºC. Quando não houver referência contrária, o termo ferrita, subentenderá
a ferrita a.
4.
Cementita (Fe3C) - é um carboneto de ferro de alta dureza com teor de carbono de
6,69% de carbono.
Linhas relevantes do diagrama ferro-carbono:
1.
Linha A1 – indica a ocorrência de uma parada (Arrêt) durante a transformação. Assim ao
resfriar um aço com 0,77% C, observa-se uma “parada” na temperatura de 727ºC, ou
seja, enquanto a transformação γ -> α + Fe3C não se completar a temperatura
permanecerá constante.
Figura 14. Diagrama de fases Fe+C.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
2.
Linha A2 – indica a temperatura de transformação magnética do ferro CCC a 770ºC.
3.
Linha A3 – indica a temperatura de transformação γ -> α. À medida que o teor de
carbono vai aumentando, a temperatura A3 vai diminuindo, até o limite de 727ºC, onde
se encontra com A1.
4.
Linha Acm – indica a temperatura de transformação γ - Fe3C. Inicia-se a 727ºC com
0,77% C e vai aumentando com a elevação do teor de carbono, até atingir 1148ºC a
2,11% C.
5.
Linha Solidus – indica que abaixo desta linha todo material estará no estado sólido.
6.
Linha Liquidus – indica que acima desta linha todo material estará na forma líquida.
Pontos relevantes do diagrama ferro-carbono
1.
Ponto Eutético – indica a presença de uma liga eutética, com 4,3% C a 1148ºC
2.
Ponto Eutetóide – indica a presença de uma liga eutetóide, com 0,77%C a 727ºC.
Componentes da estrutura dos aços
No ponto eutetóide se verifica uma transformação importante no estudo dos aços, ou seja, um
aço com 0,77%C acima de 727ºC encontra-se no estado de austenita. No ponto eutetóide a
austenita se transforma em uma mistura de duas fases – ferrita e cementita - que se denomina
perlita.
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Figura 15. Diagrama com a Indicação do Ponto Eutético.
A perlita tem uma estrutura finamente raiada que, semelhante à madrepérola, está formada de
lâminas finíssimas superpostas, alternando- se uma camada de ferrita e outra de cementita,
conforme a figura a seguir.
Figura 16. Esquematização de uma Perlita, com Suas Constituintes: Ferrita + Cementita..
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
Sendo assim:



Aços com 0,77% C são chamados de eutetóides.
Aços com menos de 0,77%C são chamados hipoeutetóides;
Aços com mais de 0,77%C são chamados hipereutetóides.
Embora a perlita não seja uma fase, e sim um constituinte, é possível prever quais são as
microestruturas presentes nos aços após o resfriamento lento.
Os aços hipoeutetóides (até 0,77%C) apresentam em sua microestrutura ferrita e perlita
conforme mostra a figura esquemática abaixo.
Figura 17. Representação de Estrututa Perlitica + Ferritica, Encontradas nos Aços
Hipereutéticos.
Figura 18. Representação do Ponto Eutetóide.
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3°
A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com
aproximadamente 0,3%C, submetido ao ataque reativo de NITAL, ampliado 200 vezes. Os
grãos escuros são de perlita e os grãos brancos são de ferrita.
Figura 19. Micrografia de Um aço Hipoeutético.
Os aços eutetóides (0,77%C) apresentam em sua microestrutura somente perlita, conforme
mostra a figura esquemática abaixo.
Figura 20. Representação de Estrutura Perlitica Única.
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3°
Figura 21. Representação do Ponto de Transformação de Perlita em Austenita.
A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço eutetóide com 0,77%C, submetido
ao ataque reativo de NITAL, ampliado 1000 vezes.
Figura 22. Micrografia de Um Aço Eutético.
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3°
Nota-se a estrutura lamelar; as linhas escuras representando a cementita e as linhas brancas a
ferrita.
Os aços hipereutetóides (0,77% a 2,11%C) apresentam em sua microestrutura perlita e
cementita, conforme mostra a figura esquemática a seguir.
Figura 23. Representação de Estrutura Perlitica + Cementita.
Figura 24. Representação do Ponto de Transformação de Perlita +Cementita em Austenita +
Cementita.
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3°
A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide com
aproximadamente 1%C, submetido ao ataque reativo de PICRAL, ampliado 200 vezes.
Figura 25. Micrografia de Um aço Hipereutético.
Nota-se que a cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede.
Os aços hipoeutetóides apresentarão tanto maior quantidade de ferrita quanto menos carbono
contiverem, e os aços hipereutetóides tanto maior quantidade de cementita quanto mais se
aproximarem do teor de 2,11% de carbono.
A figura a seguir mostra de modo esquemático o teor de carbono e sua microestrutura
correspondente.
Figura 26. Representação das Correlações de Teores de C, e suas respectivas Microestruturas
Residuais.
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Interpretação Final dos Diagramas
Os aços hipoeutetóides (0,4%C por exemplo) têm pouco carbono, portanto há pouca perlita e
quase nenhuma cementita livre. A maior parte de massa constitui-se de ferrita que é Fe α,
caracterizando-se pela baixa dureza, porém com alta ductilidade.
O diagrama de fase apresentado a seguir, indica as fases presentes nos pontos determinados
e o respectivo estado físico do aço hipoeutetóide com 0,4% C, quando submetido ao
resfriamento lento.
Figura 27. Diagrama de Fases e Transformações – Referência aos Aços Hipoeutetóides.
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3°
Tabela 3. Relação de Temperatura x Microestruturas – Referência aos Aços Hipoeutetóides.
Nos aços hipereutetóides (0,9%C por exemplo), devido ao alto teor de carbono, teremos a
formação de cementita mais a perlita. O diagrama de fase apresentado a seguir mostra as
fases presentes e o respectivo estado físico do aço hipereutetóide com 0,9% C, quando
submetido ao resfriamento lento.
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3°
Figura 28. Diagrama de Fases e Transformações – Referência aos Aços Hipereutetóides.
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3°
Tabela 4. Relação de Temperatura x Microestruturas – Referência aos Aços Hipereutetóides.
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3°
Efeito da Velocidade de Resfriamento nos Aços
Um aço resfriado muito lentamente a partir do campo austenítico apresentará, em temperatura
ambiente, uma ou mais das fases ferrita, perlita e cementita, dependendo de seu teor de
carbono.
Figura 29. Representação Esquemática da Transformação de Microestruturas em Função da
Temperatura e % de C.
Porém, se o resfriamento do aço a partir da região austenítica for muito rápido impede-se a
formação da perlita. Certamente produz-se um rearranjo cúbico de face centrada (CFC) para
cúbico de corpo centrado (CCC), porém os átomos de carbono permanecem retidos em seu
núcleo. Como o resfriamento é rápido e a dimensão do reticulado cristalino a é menor que a
dimensão do reticulado cristalino γ, o carbono é forçado a permanecer no reticulado cristalino
α, causando deformação e tensão, a conseqüência disso é uma estrutura dura, quebradiça,
acicular denominada martensita, que não é prevista no diagrama ferro carbono.
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3°
Figura 30. Microestruturas Resultantes em Função da Temperatura e do Tempo de
Resfriamento.
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METAIS NÃO FERROSOS
Introdução
Metais não ferrosos são todos os metais puros ou ligados, com exceção do ferro e suas ligas.
Os metais não ferrosos podem ser classificados em função de densidade em metais leves e
metais pesados.
A maioria dos metais puros é mole e tem baixa resistência à tração.
Quanto maior for a pureza, mais alto será o ponto de fusão, maior a condutibilidade elétrica e a
resistência à corrosão. Na indicação dos metais não ferrosos puros, deve-se usar a designação
química do elemento mais o grau de pureza.
Obtenção dos Metais
Os minérios de onde são retirados os metais, além do próprio metal, contêm também
impurezas, tais como: oxigênio, hidrogênio e enxofre.
A quantidade (porcentagem) de metal varia em função do tipo de minério.
O esquema abaixo mostra o processo de obtenção da maioria dos metais.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
Para se obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam- se normalmente outros
processos além do processo normal de alteração do metal siderúrgico, os quais dependem do
tipo de metal.
Normalização
Segundo a DIN 1700, para metais puros escreve-se o símbolo do elemento químico seguido do
grau de pureza.
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3°
Para as ligas, adota-se a seguinte forma:
Exemplos:
GD-Zn Al 4 Cu1 – Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de Al, 1% de Cu.
AlCu Mg1 F40 – Liga de alumínio com ±4% de Cu, ±1% de Mg e resistência à tração de
40kgf/mm² a 390N/mm².
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
As propriedades dos metais puros podem ser melhoradas através de elementos de liga.
Liga é um metal, obtido por um processo, onde se misturam dois ou mais elementos entre si no
estado líquido. Nos metais ligados, geralmente a dureza e a resistência aumentam, enquanto a
ductilidade e a condutibilidade elétrica diminuem.
Designação das Ligas Não Ferrosas
É feita pela indicação (símbolo químico) dos metais que nela estão contidos, seguidos pelo teor
(em porcentagem) de cada um dos metais.
Exemplo de Normalização/ Designação:
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3°
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Disciplina: Manutenção Mecânica
COBRE (Cu)
É um metal de cor avermelhada, bastante resistente à intempérie e à corrosão. É também um
excelente condutor elétrico e de calor (seis vezes mais que o ferro).
Classificado como metal de transição, pertence ao grupo 11 (1B) da Classificação Periódica
dos Elementos. É um dos metais mais importantes industrialmente, de coloração avermelhada,
dúctil, maleável e bom condutor de eletricidade.
Conhecido desde a pré-história, o cobre é utilizado atualmente, para a produção de materiais
condutores de eletricidade (fios e cabos), e em ligas metálicas como latão e bronze.
O cobre ocupa a mesma família na tabela periódica que a prata e o ouro. Em termos de
estrutura eletrônica, o cobre tem um elétron orbital em cima de uma cheia escudo do elétron (o
elétron que faz as ligações), que faz ligações metálicas. A prata e o ouro são semelhantes.
O cobre é normalmente fornecido, como quase todos os metais de uso industrial e comercial,
em um grão fino de formulário policristalino. Metais policristalino tem mais força do que
monocristalinos formas, e a diferença é maior para o menor grão (de cristal) em tamanho. É
facilmente trabalhado, sendo que ambas as propriedades de dúctil e maleável ele tem. A
facilidade com que pode ser levado a cabo o torna útil para trabalhos elétricos, assim como sua
alta condutividade elétrica.
A estrutura eletrônica torna comparáveis, o cobre, prata e o ouro semelhantes em muitos
aspectos: os três têm alta condutividade térmica e elétrica, e os três são maleáveis. Entre os
metais puros na temperatura ambiente, o cobre tem a segunda maior condutividade elétrica e
térmica, depois da prata, com uma condutividade de 59,6 × 106S/m. Este valor alto é devido à
praticamente todos os elétrons na camada de valência (um por átomo) tomar parte na
condução.
O resultado são elétrons livres no montante de cobre para uma densidade de carga enorme de
13,6 × 109C/m.
Exemplo de Normalização/ Designação: E-Cu 99,99 % - Cobre especialmente puro.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
Obtenção pela eletrólise (E).
É fácil de fundir, dobrar, forjar, repuxar, tanto a quente como a frio. A deformação a frio deixa o
cobre duro e difícil de dobrar. Com o cobre recozido a uma temperatura de aproximadamente
600ºC, e sem o resfriamento rápido, elimina-se a dureza proveniente da deformação a frio. Nos
processos de usinagem com cavacos, devem-se usar ferramentas com grande ângulo de saída
e, como fluido de corte, o óleo solúvel.
Aplicação
É normalmente empregado para confecção de fios e cabos condutores elétricos, sistemas de
aquecimento e resfriamento, tubos, chapas, peças fundidas e peças de artesanato.
Os cobres debilmente ligados são aqueles que contêm uma porcentagem inferior a 3 de algum
elemento adicionado para melhorar alguma das características do cobre como a
maquinabilidade (facilidade de mecanização), resistência mecânica e outras, conservando a
alta condutibilidade elétrica e térmica do cobre. Os elementos utilizados são estanho, cádmio,
ferro, telúrio, zircônio, crômio e berílio. Outras ligas de cobre importantes são latões (zinco),
bronzes (estanho), cuproalumínios (alumínio), cuproníqueis (níquel), cuprosilícios (silício) e
alpacas (níquel-zinco).
Todos os compostos de cobre deveriam ser tratados como se fossem tóxicos; uma quantidade
de 30 g de sulfato de cobre é potencialmente letal em humanos.
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3°
CHUMBO (Pb)
É um metal com aspecto exterior característico, pois apresenta uma cor cinza azulada. Sua
superfície de ruptura (recente) é de uma cor branca prateada muito brilhante. É fácil de
reconhecê-lo pelo peso: é um material muito denso e macio.
É um metal tóxico, pesado, macio, maleável e mau condutor de eletricidade. Apresenta
coloração branco-azulada quando recentemente cortado, porém adquire coloração acinzentada
quando exposto ao ar. É usado na construção civil, baterias de ácido, em munição, proteção
contra raios-X e forma parte de ligas metálicas para a produção de soldas, fusíveis,
revestimentos de cabos elétricos, materiais antifricção, metais de tipografia, etc. O chumbo tem
o número atômico mais elevado entre todos os elementos estáveis.
É um metal conhecido e usado desde a antiguidade. Suspeita-se que este metal já fosse
trabalhado há 7000 anos, utilizado pelos egípcios sendo parte de ligas metálicas devido suas
características e pelos romanos como componentes de tintas e cosméticos.
O chumbo é muito dúctil, fácil de dobrar, laminar, martelar (a frio). Os tubos são curvados com
auxílio de uma mola ou enchendo-os de areia fina e seca, ou com ajuda de um aparelho de
curvar.
Precaução
Partículas de chumbo que aderem às mãos podem penetrar no organismo e provocar uma
intoxicação (Febre Plumbérica) por isso é indispensável lavar bem as mãos após, seu
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3°
manuseio. Os vapores metálicos de chumbo, são altamente carcinogênicos, por isso
recomenda-se atenção na proteção para com o acesso a estes. O Chumbo ainda tem os
efeitos de: alterações no sistema nervoso, danos ao cérebro, diminuição da fertilidade do
homem através de danos ao esperma, etc.
Aplicação
O mais amplo uso do chumbo é na fabricação de acumuladores. Outras aplicações importantes
são na fabricação de forros para cabos, elemento de construção civil, pigmentos, soldas
suaves e munições. A fabricação de chumbo tetra etílico (TEL) vem caindo muito em função de
regulamentações ambientais cada vez mais restritivas no mundo no que se diz respeito à sua
principal aplicação que é como aditivo na gasolina. No caso do Brasil desde 1978 este aditivo
deixou de ser usado como antidetonante.
Têm-se desenvolvido compostos organoplúmbicos para aplicações como catalisadores na
fabricação de espumas de poliuretano, como tóxico para as pinturas navais com a finalidade de
inibir a incrustação nos cascos, agentes biocidas contra as bactérias granpositivas, proteção da
madeira contra o ataque das brocas e fungos marinhos, preservadores para o algodão contra a
decomposição e do mofo, agentes molusquicidas, agentes antihelmínticos, agentes redutores
do desgaste nos lubrificantes e inibidores da corrosão do aço.
Graças a sua excelente resistência a corrosão, o chumbo encontra muitas aplicações na
indústria de construção e, principalmente, na indústria química. É resistente ao ataque de
muitos ácidos, porque forma seu próprio revestimento protetor de óxido. Como conseqüência
desta característica, o chumbo é muito utilizado na fabricação e manejo do ácido sulfúrico.
Durante muito tempo se tem empregado o chumbo como manta protetora para os aparelhos de
raio-X. Em virtude das aplicações cada vez mais intensas da energia atômica, torna-se cada
vez mais importante as aplicações do chumbo como blindagem contra a radiação.
Sua utilização como forro para cabos de telefone e de televisão segue sendo uma forma de
emprego adequada para o chumbo. A ductilidade única do chumbo o torna particularmente
apropriado para esta aplicação, porque pode ser estirado para formar um revestimento
contínuo em torno dos condutores internos.
O uso de chumbo em pigmentos tem sido muito importante, porém a sua utilização tem
diminuído muito. O pigmento, que contém este elemento, é o branco de chumbo, 2PbCO3, Pb
(OH)2; outros pigmentos importantes são o sulfato básico de chumbo e os cromatos de
chumbo.
Utiliza-se uma grande variedade de compostos de chumbo, como os silicatos, os carbonatos e
os sais de ácidos orgânicos, como estabilizadores contra o calor e a luz para os plásticos de
cloreto de polivinila (PVC). Usam-se silicatos de chumbo para a fabricação de vidros e
cerâmicas. O nitreto de chumbo, Pb (N3)2, é um detonador padrão para os explosivos. Os
arseniatos de chumbo são empregados em grandes quantidades como inseticidas para a
proteção dos cultivos. O litargírio (óxido de chumbo) é muito empregado para melhorar as
propriedades magnéticas dos imãs de cerâmica de ferrita de bário.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
ZINCO (Zn)
É um metal branco azulado. Sua superfície de ruptura é formada de cristais que se distinguem
facilmente. Entre os metais, é o que tem o maior coeficiente de dilatação térmica
(0,000029/ºC). Exposto à umidade do ar, combina-se com o dióxido de carbono (CO2)
formando uma capa cinzenta de carbonato de zinco (Zn + CO2), que protege o metal.
É muito sensível aos ácidos, que o atacam e destroem, sendo, portanto impossível conservar
ácidos em recipientes de zinco. As propriedades do zinco podem ser sensivelmente
melhoradas pelas adições de outros metais.
O zinco é um metal, às vezes classificado como metal de transição ainda que estritamente não
seja, apresenta semelhanças com o magnésio e o berílio além dos metais do seu grupo. Este
elemento é pouco abundante na crosta terrestre, porém pode ser obtido com facilidade.
O ar seco não o ataca, porém, na presença de umidade, forma uma capa superficial de óxido
ou carbonato básico que isola o metal e o protege da corrosão.
Praticamente o único estado de oxidação que apresenta é 2+. Reage com ácidos não
oxidantes passando para o estado de oxidação 2+ e liberando hidrogênio, e pode dissolver-se
em bases e ácido acético. O metal apresenta uma grande resistência à deformação plástica a
frio que diminui com o aquecimento, obrigando a laminá-lo acima dos 100 °C.
O zinco é empregado na fabricação de ligas metálicas como o latão e o bronze, além de ser
utilizado na produção de telhas e calhas residenciais. O zinco é, ainda, utilizado como metal de
sacrifício para preservar o ferro da corrosão em algumas estruturas, na produção de pilhas
secas e como pigmento em tinta de coloração branca.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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Semestre:
3°
Aplicação
O zinco é um elemento químico essencial para o corpo humano: intervém no metabolismo de
proteínas e ácidos nucleicos, estimula a atividade de mais de 100 enzimas, colabora no bom
funcionamento do sistema imunológico, é necessário para cicatrização dos ferimentos, nas
percepções do sabor e olfato e na síntese do DNA. O metal é encontrado na insulina, nas
proteínas dedo de zinco (zinc finger) e em diversas enzimas como a superóxido dismutase.
As ligas metálicas mais empregadas são as de alumínio (3,5-4,5%, Zamak; 11-13%, Zn-Al-CuMg; 22%, Prestal , liga que apresenta superplasticidade) e cobre (aproximadamente 1%) que
melhora as características mecânicas do zinco e sua aptidão ao molde.
Peças de aço que estejam sujeitas à oxidação do tempo, devem receber uma zincagem (banho
de zinco) para sua proteção. O zinco é um material muito utilizado na fundição de peças.
Peças complicadas são obtidas através de fundição por injeção, a qual facilita a fabricação em
série e aumenta a precisão das peças.
É componente minoritário em diversas ligas, principalmente de cobre como latões (3 a 45% de
zinco) , alpacas (Cu-Ni-Zn) e bronzes ( u-Sn ) de molde.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Data:
Fev/2013
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Semestre:
3°
ESTANHO (Sn)
O estanho é um elemento químico de símbolo Sn, número atômico 50 (50 prótons e 50
elétrons) e com massa atómica de 118,7 u. Está situado no grupo 14 ou IVA da classificação
periódica dos elementos. É um metal prateado, maleável que é sólido nas condições
ambientais. Não se oxida facilmente com o ar e é resistente a corrosão.
É usado para produzir diversas ligas metálicas utilizados para recobrir outros metais para
protegê-los da corrosão. O estanho é obtido principalmente do mineral cassiterita onde se
apresenta como um óxido. É um dos metais mais antigos conhecido, e foi usado como um dos
componentes do bronze desde a antiguidade.
O estanho é um metal branco prateado, maleável, pouco dúctil, de baixo ponto de fusão e
altamente cristalino. Quando uma barra de estanho é quebrada produz um ruído denominado
"grito de lata" ("grito de estanho") causada pelos cristais quando são rompidos. Este metal
resiste à corrosão quando exposto à água do mar e água potável, porém pode ser atacado por
ácidos fortes, bases e sais ácidos. O estanho age como um catalisador quando o oxigênio se
encontra dissolvido, acelerando o ataque químico.
Quando aquecido na presença do ar acima de 1500 °C retorna à condição de óxido estânico. O
estanho é atacado pelos ácidos sulfúrico, nítrico e clorídrico concentrados, e com bases produz
estanatos. O estanho facilmente pode ser lustrado e é usado como revestimento de outros
metais para impedir a corrosão ou a outra ação química. Este metal combina-se diretamente
com cloro e oxigênio, e desloca o hidrogênio dos ácidos. O estanho é maleável em baixas
temperaturas, porém é frágil quando aquecido.
Dobrando uma barra de estanho, ouve-se um ruído como se o metal estivesse trincado. Esse
ruído é produzido em conseqüência do deslizamento dos cristais, atritando-se entre si (grito do
estanho).
Não se altera quando em contato com ácidos orgânicos ou quando exposto às intempéries. Em
temperaturas inferiores a -15ºC, o estanho se decompõe formando um pó de cor cinzenta.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Data:
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3°
Aplicação
O estanho liga-se prontamente com o ferro, e foi muito usado na indústria automotiva para
revestimento e acabamento da lataria. O estanho que faz uma ótima liga com chumbo é usado
como revestimento misturado ao zinco no aço para impedir a corrosão e evitar a eletrólise. O
estanho também é muito usado em telhas, correntes e âncoras. Os recipientes de aço
blindados com estanho (folhas de flandres) são usados extensivamente para a conservação de
alimentos, e desta forma é um grande mercado para o estanho metálico. Os ingleses os
denominam de "tins" e os norte-americanos de "cans".
O estanho puro não é empregado em construções de peças devido a sua pequena resistência
à tração.
Graças a sua ductilidade, podem-se laminar folhas delgadas de até 0,008mm de espessura.
É muito utilizado no equipamento e maquinaria da indústria alimentícia, por ser não tóxico.
Liga-se perfeitamente a outros metais: cobre, chumbo e antimônio. A solda de estanho é
possível sobre latão, aço e aço fundido.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Data:
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3°
LIGAS DOS METAIS PESADOS NÃO FERROSOS
Para melhorar as propriedades dos metais com base o cobre, são adicionadas ligas de outros
metais, como o zinco e o estanho. As ligas de cobre possuem cores diferentes, conforme o
metal que entra na constituição da liga e na proporção em que é adicionado.
As ligas de cobre mais importantes são: latão, bronze e latão vermelho.
LATÃO
É uma liga de cobre e de zinco com um teor mínimo de 50% de cobre.
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3°
O latão é um metal de cor amarelo-claro ou amarelo-ouro. As classes do latão são
reconhecidas pela superfície de ruptura ou em sua superfície polida.
É de fácil usinabilidade, com grande capacidade de receber processamento como: dobra e
repuxo. Tem uma resistência maior do que a do cobre (200 - 800N/mm²).
Aplicação
Devido a sua boa resistência à corrosão causada pelo ar e fluidos, o emprego do latão fundido
é muito grande na fabricação de válvulas, torneiras e registros.
Laminado, o latão é empregado na confecção de chapas, perfis de qualquer forma e tubos de
radiadores.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
BRONZES
Bronze (do persa “biring”, cobre) é o nome com o qual se denomina toda uma série de ligas
metálicas que tem como base o cobre e o estanho e proporções variáveis de outros elementos
como zinco, alumínio, antimônio, níquel, fósforo, chumbo entre outros com o objetivo de obter
características superiores a do cobre. O estanho tem a característica de aumentar a resistência
mecânica e a dureza do cobre sem alterar a sua ductibilidade.
O processo de fabricação consiste em misturar um mineral de cobre (calcopirita, malaquita ou
outro) com o estanho (cassiterita) em um alto-forno alimentado com carbono (carvão vegetal ou
coque). O anidrido carbônico reduz os minerais a metais, o cobre e estanho se fundem e se
ligam a percentual de estanho de 2 a 11%
De bronze foram as primeiras armas e ferramentas metálicas, também utilizado para a
produção de estátuas. Material que, polido, chega ao amarelo ouro, é o mais usado no campo
da escultura. Sua grande popularidade se deve à sua enorme resistência estrutural, à não
corrosão atmosférica, à facilidade de fundição e uma capacidade de acabamento que permite
excelente polimento ou o uso de diversas cores e tipos.
O bronze possui características acústicas e de geração de ondas sinusoidais bastante puras e
apresentando um timbre bem distinto, tornando-se assim um metal excelente para a fabricação
de instrumentos musicais de percussão como é o caso dos sinos e sinetas ou secções de
instrumentos de sopro, onde o som é originado, como são os bocais para saxofones, trompetes
e trombones, entre outros.
O bronze pode ser classificado em ligas fundidas e ligas laminadas.
O quadro a seguir mostra os diversos tipos de bronze.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Propriedades e aplicações
As ligas de bronze variam entre macias e duras. Resistem muito bem à corrosão. Devido a sua
fácil fusão, são empregadas na fabricação de sinos, buchas e peças hidráulicas. O bronze
laminado é empregado na fabricação de molas, partindo de tiras e de arames estirados a frio.
BRONZE AO ESTANHO
Esta liga tem de 4 a 20% de estanho. É dúctil e elástica, dura e resistente à corrosão.
Exemplo de normalização DIN
Cu Sn 6
 6% de estanho
 94% de cobre
BRONZE AO CHUMBO
Até 25% de chumbo. Boa característica de deslizamento, autolubrificante. Empregada na
construção de buchas.
Exemplo de normalização DIN
G - Cu Pb 15 Sn
 75% de cobre
 15% de chumbo
 8% de estanho
 2% de zinco.
BRONZE AO ALUMÍNIO
Esta liga tem de 4 a 9% de alumínio. Resistente à corrosão e ao desgaste. Utilizada na
construção de buchas, parafusos sem-fim e rodas-dentadas.
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3°
Exemplo de normalização DIN
Cu Al8 Fe F45
 89% de cobre
 8% de alumínio;
 1% de ferro.
F45 - resistência à tração = 450N/mm².
LATÃO VERMELHO (BRONZE AO ZINCO)
O latão vermelho é uma liga de cobre, estanho (bronze) e zinco, cujo componente
predominante é o cobre. É resistente à corrosão e ao desgaste. Além disso, resiste bem à
pressão.
É empregada na fundição de buchas e na fabricação de peças hidráulicas, tubos e
engrenagens helicoidais.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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3°
PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA.
Os processos de conformação mecânica são aqueles que alteram a geometria do material
(forma) por deformação plástica, através de forças aplicadas por ferramentas adequadas, que
podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros.
As vantagens com este processo são muitas: bom aproveitamento da matéria; rapidez na
execução; possibilidade de controle das propriedades mecânicas; e possibilidade de grande
precisão e tolerância dimensional. É importante observar, entretanto, que o ferramental e os
equipamentos possuem um custo muito elevado, exigindo grandes produções para justificar o
processo economicamente.
Existem algumas centenas de processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos
para aplicações específicas. Mas é possível classificá-los num pequeno número de categorias,
com base em critérios tais como: o tipo de esforço, deformação do material, variação relativa
da espessura da peça, o regime da operação de conformação e o propósito da deformação.
Basicamente, se dividem em:
LAMINAÇÃO: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre
cilindros que giram (tipo massa de pastel), reduzindo a seção transversal; os produtos podem
ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos.
FORJAMENTO: conformação por esforços compressivos fazendo o material assumir o
contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Moedas, parafusos,
âncoras e virabrequins estão entre os produtos do forjamento.
TREFILAÇÃO: redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça
através de uma ferramenta (fieira ou trefila) em forma de “funil”. É o processo comum para
obtenção de fios de todo tipo.
EXTRUSÃO: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com
redução da sua seção transversal, como ocorre numa máquina de formar macarrão. O produto
pode ser uma barra, perfil (esquadrias de alumínio, etc.) ou tubo.
CONFORMAÇÃO DE CHAPAS: Compreende operações com chapas, como: corte,
dobramento e estampagem. Produtos são arruelas, panelas, enlatados, etc.
Temperatura na Conformação
Em função da temperatura e do material utilizado, a conformação mecânica pode ser
classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. O trabalho a quente (TQ) é usado para
reduzir os esforços de conformação e/ou permitir a recristalização¹. Geralmente, a temperatura
mais elevada de trabalho a quente é limitada bem abaixo do ponto de fusão, devido à
possibilidade de fragilização à quente (existência de compostos dentro do material com menor
ponto de fusão). Basta uma pequena quantidade de constituinte com baixo ponto de fusão nos
contornos de grão para fazer um material desagregar-se quando deformado.
De outra forma, o trabalho a frio (TF) é a deformação realizada sob condições em que não
ocorre a recristalização do material. Já no trabalho a morno, ocorre uma recuperação² do
material, sem recristalização.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
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É importante entender que a distinção básica entre TQ e TF não está na temperatura em si,
mas na temperatura de recristalização do material. Porque, dependendo da liga, podemos ter
TQ com conformações à temperatura ambiente, como no caso de Pb e Sn. Por outro lado, a
conformação a 1100°C é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior,
embora tal temperatura seja TQ para o aço.
É importante lembrar do calor gerado na conformação. Tanto a deformação plástica quanto o
atrito contribuem para a geração de calor. Da energia empregada na deformação plástica de
um metal, apenas 5 a 10% ficam acumulados na rede cristalina, sob a forma de energia
interna, sendo os restantes 90 a 95% convertidos em calor. Em algumas operações de
conformação contínua, como extrusão e trefilação (efetuadas em altas velocidades), a
temperatura pode aumentar em centenas de graus. Uma parte do calor gerado é dissipada
(transmitido às ferramentas ou perdido para a atmosfera), mas o restante permanece na peça,
elevando-lhe a temperatura.
Trabalho a Quente
O trabalho a quente é a etapa inicial na conformação mecânica da maioria dos metais e ligas.
Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal, como proporciona o
surgimento de menos discordâncias microestruturais e também ajuda a diminuir as
heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão 3
presentes às temperaturas de trabalho a quente4. Além disso, as variações microestruturais
proporcionam um aumento na dutilidade5 e na tenacidade6, comparado ao estado fundido.
Como desvantagem, geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente
não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos,
já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos
recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a
temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as
superfícies externas podem ocorrer crescimento de grão no interior de peças de grandes
dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho.
A maioria das operações de TQ é executada em múltiplos passes; em geral, nos passes
intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior de recristalização do metal
para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um
crescimento de grão. Como, porém, deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão
pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do
limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de
grãos darão origem a peças com melhor resistência e tenacidade. Veja abaixo figuras do
comportamento dos grãos na conformação com TQ.
1.
2.
Recristalização: Em certa temperatura, os grãos (estrutura cristalina) amassados e distorcidos pela
conformação formam novos grãos, reduzindo as tensões internas.
Recuperação: Há um rearranjo das discordâncias, melhorando a ductilidade do material, mas não ocorre
formação de novos grãos (recristalização).
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Figura 31. Aspecto Cristalino do Material na Conformação, com a Variável de Temperatura.
Trabalho a Frio
O trabalho a frio é acompanhado do encruamento7 do metal, que é ocasionado pela interação
das discordâncias entre si e com outras barreiras – tais como contornos de grão – que
impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também
um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num
elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Um metal cristalino contém em média
entre 1 e 100 milhões de cm de discordâncias por cm³, enquanto que um metal severamente
encruado apresenta cerca de 100 bilhões de cm de discordâncias por cm³. A estrutura
característica do estado encruado examinada ao microscópio eletrônico apresenta dentro de
cada grão, regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso
de discordâncias nos planos de deslizamento.
3.
4.
5.
6.
7.
Movimentação interna de material.
As bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a estrutura colunar
dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor
tamanho.
Propriedade do material de sofrer deformação permanente sem romper.
Capacidade que um material tem para absorver energia, nos campos plástico e elástico.
Defomação nos grãos do material em função da conformação sofrida, gerando aumento da dureza e queda
da dutilidade.
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Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo
da ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de
escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total
(alongamento na fratura).
Figura 32. Exemplificação do Aumento de Resistência na Conformação, pelo Encruamento
Resultantes do Esforço Mecânico.
Trabalho a Morno
Os processos de deformação a morno objetivam aliar as vantagens das conformações a
quente e a frio. Dos processos de conformação a morno um dos mais difundidos e com
maiores aplicações industriais é o forjamento. O trabalho a morno consiste na conformação de
peças numa faixa de temperatura onde ocorre o processo de recuperação do material, não
ocorrendo, entretanto, a recristalização. Com relação ao trabalho a quente, o processo morno
apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da
oxidação e da dilatação. Assim, podem-se ter menores ângulos de saída e maior carga para a
retirada da peça das matrizes sem deformar o produto. A maior desvantagem é o aumento do
limite de escoamento, sendo necessário o emprego de prensas mais potentes e ferramentas
mais resistentes.
Em relação ao trabalho a frio, o processo a morno apresenta redução dos esforços de
deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas,
principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a
ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem
muita energia e tempo.
Existe alguma controvérsia sobre a faixa de temperatura empregada na conformação a morno
dos aços, mas, certamente se torna importante entre 500 e 800°C. A temperatura inferior de
conformação é limitada em aproximadamente 500°C devido à possibilidade de ocorrência da
"fragilidade azul" em temperaturas mais baixas8.
8.
Esta fragilização aumenta a tensão de escoamento e diminui a ductilidade. Ela ocorre em temperaturas em
torno de 200 a 400°C onde, átomos intersticiais difundem-se durante a deformação formando atmosferas em
torno das discordâncias geradas, ancorando-as. O nome azul refere-se à coloração do óxido formado na
superfície do aço nesta faixa de temperatura.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Não há um processo mais vantajoso em si do que outro, tudo depende do julgamento de vários
fatores (tolerância, acabamento, material, ductilidade final, deformação, etc.). Muitas vezes o
material passa tanto por TQ como por TF.
Veja tabela de características dos processos abaixo:
Tabela 5. Relação de Temperatura e Características de Processo.
Processos de Recuperação e Recristalização
 PROCESSO DE RECUPERAÇÃO: elevar a certa temperatura na qual as discordâncias são
bastante móveis para formar arranjos regulares e mesmo se aniquilarem (somente as
discordâncias de sinais opostos), formando uma estrutura celular (subgrãos) com uma
pequena defasagem de orientação cristalográfica entre as células. É um processo que
depende do tempo (figura b abaixo) e, embora não ocorra mudança na microestrutura,
restaura parcialmente a maciez (menor resistência e maior ductilidade).
 PROCESSO DE RECRISTALIZAÇÃO: a maciez original é inteiramente restaurada pelo
aquecimento acima de certa temperatura, quando se formam novos grãos com baixa
densidade de discordâncias. Os grãos crescem continuamente até que a estrutura toda
esteja recristalizada. A microestrutura resultante é equiaxial, muito embora possa ser retida
ou mesmo desenvolvida uma textura cristalográfica. É grandemente dependente da
temperatura e do tempo (figura c).
Figura 33. Esquematização do Processo de Recristalização e Recuperação.
A temperatura depende de cada material, e é apenas uma referência aproximada, pois mesmo
pequenos teores de elemento de liga podem retardar substancialmente a formação de novos
grãos, elevando a temperatura de recristalização.
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Disciplina: Manutenção Mecânica
Figura 34. Micrografia de Um Mesmo Material (Aço ABNT 1010), quais Sofreram Recuperação
e Recristalização.
Na prática, a temperatura de recristalização é convencionalmente definida como aquela em
que o metal severamente encruado recristaliza totalmente no espaço de uma hora. A tabela
abaixo apresenta as temperaturas de recristalização para alguns metais e ligas de uso comum.
Tabela 6. Relação de Temperaturas de Recristalização de Diversos Materiais.
Em alguns metais, a recuperação aumenta a ductilidade mais do que diminui a resistência,
sendo então possível controlar as propriedades finais do produto deformado por meio de um
severo trabalho a frio, seguido de um recozimento de recuperação, que restaura grande parte
da ductilidade sem reduzir muito a resistência.
A recristalização depende diretamente dos seguintes fatores:
1. Uma quantidade mínima de deformação prévia: se o trabalho a frio prévio é zero, não há
recristalização e ficam mantidos os grãos originais;
2. Quanto maior a deformação prévia, menor será a temperatura de recristalização;
3. Quanto menor a temperatura, maior o tempo necessário à recristalização;
4. Quanto maior a deformação prévia, menor será o tamanho de grão resultante (pois será
maior o número de núcleos a partir dos quais crescerão os novos grãos) 9.
5. Adições de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalização (pois
retardam a difusão).
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Muitas vezes, recusa-se realizar TQ e utiliza-se o TF junto com posterior recozimento10. Apesar
de aumentar o custo do processo (sobretudo com metais reativos, que têm de ser recozidos
em atmosferas inertes ou em vácuo), fornecem também grande versatilidade, pois se ajustando
adequadamente o ciclo TF + recozimento, pode-se obter qualquer grau desejado de
encruamento no produto final.
Partículas e Inclusões
Como resultado do trabalho mecânico, as partículas de segunda fase (inclusões, vazios,
segregações, etc.) tendem a distribuir-se e assumir um formato, de forma grosseira, análogo à
deformação da peça como um todo.
Se as partículas e inclusões são dúcteis e mais moles do que a matriz, assumem forma
alongada (1) (ex. MnS no aço); se forem frágeis, quebram-se em fragmentos que se orientam
paralelamente à direção principal de trabalho (2) (ex. Al2O3 no aço); se forem mais duras e
mais resistentes do que a matriz, não se deformam (3) (ex. SiO2 no aço).
Figura 35. Micrografia com as Indicações de Inclusões e Partículas.
A limpidez (nível de inclusões) é um parâmetro importante na seleção dos aços. Aços com a
mesma composição química básica podem ter uma grande variação de propriedades
mecânicas em função dos processos utilizados e das práticas de fabricação. Tratamentos de
dessulfuração na panela, escória sintética e desgaseificação a vácuo podem produzir aços com
alta limpidez (baixo nível de inclusões), necessários para algumas aplicações críticas, como na
área nuclear. Entretanto, este nível de desempenho pode ser altamente conservativo e
aumentar consideravelmente o custo de fabricação.
Aços com altos níveis de inclusões ao contrário, podem não ser seguros e ocasionar fraturas
catastróficas. Então, para se ter estruturas com níveis aceitáveis de propriedades mecânicas,
deve-se considerar a integridade estrutural e seu custo.
9.
Uma estrutura de grãos grosseiros apresenta propriedades mecânicas pobres, ao passo que um tamanho de
grão fino fornece ao material alta resistência sem diminuir muito a ductilidade.
10. Termo genérico para tratamento térmico composto de aquecimento controlado até uma determinada
temperatura, permanência nessa temperatura durante certo intervalo de tempo e resfriamento regulado,
alterando a microestrura e propriedades do material.
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