NOTAS DE AULA – MATERIAIS
NOTAS DE AULA – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS I AULA 2
Períodos pré-históricos – Idade da pedra, idade do bronze, ferro, revolução industrial.
Materiais mais utilizados no mundo é o aço e ferro fundido – áreas:
Metal mecânica, construção civil, construção de viadutos, pontes, industrias de materiais elétricos, fabricação de motores.....
1. Metais x homens
O ouro foi o primeiro metal a ser usado + - 8000 a.c, por ser um material encontrado puro na natureza. (brilho)
• O cobre foi utilizado à + - 7000 a.c para ser utilizado na fabricação de adornos e ferramentas ( cobre+estanho = bronze)
• O ferro mesmo sendo o mais abundante foi utilizado apenas 3500 a.c, devido à dificuldade do seu processamento. Era conhecido como o “metal do céu” ou “metal das estrelas”, pois nos meteoritos ocorre o ferro puro, o que não ocorre na natureza. O material era aquecido e após martelado ( forjamento)
2. HISTÓRIA DO FERRO
Na China, por volta de 1000A.C. foram construídos os primeiros fornos que permitiram a extração do ferro dos minérios (redução do ferro).
Na Europa, por volta do século XIV iniciou o desenvolvimento de uma tecnologia mais sofisticada para obter o ferro.
Na metade do século XIX começou o desenvolvimento do alto-forno o início da fabricação do ferro-gusa em grandes quantidades.
O dicionário diz: “Metal: quando em estado sólido, é um material com estrutura na forma de cristais, compostos por elementos químicos eletropositivos e que tem como propriedades a dureza, a resistência mecânica, a plasticidade e a condutividade térmica e elétrica”
Os metais podem estar puros na natureza, como o ouro e a platina, ou sob a forma de minerais, ou seja, combinações de metais com outros elementos formando óxidos, sulfetos, hidratos, carbonatos.
O lugar onde esses minérios aparecem em maior quantidade é chamado de jazida, quando o mineral contém uma quantidade de metal e de impurezas que compensa a exploração econômica , ele recebe o nome de minério.
3. Minérios de Ferro
Os minérios de ferro podem se apresentar nas seguintes formas:
a) Óxidos.
b) Carbonatos
c) Sulfetos.
d) Hidratos.
|Tipo |Designação mineralógica |Designação química |Formula |Teor metálico |
| |Magnetita |Óxido ferroso, férrico |Fe3O4 |45 a 70% |
| | | | | |
|Oxidos | | | | |
| |Limonita |Óxido férrico |Fe2O3 3H2O |40 a 60% |
| |Hematita |Óxido férrico |Fe2O3 |45 a 70% |
|Carbonato |Siderita |Carbonato férrico |FeCO3 |25 a 45% |
Além dos elementos demonstrados acima o minério de ferro contém ainda cal, sílica, aluminia, enxofre, manganês e magnésio e são considerados impurezas
No Brasil, existem grandes reservas de óxidos, que são os principais minérios de ferro devido a grande quantidade de suas existências..
Os principais tipos são:
a) Hematita (Fe2O3)
b) Magnetita (Fe3O4)
A hematita tem coloração avermelhada, e é magnética.
Ferro
_ terceiro metal em abundância na crosta, correspondendo a mais de 95% do consumo de metais.
_ utilização de ferro gusa (produto bruto) para produção de aços puros.
_ uma porção significativa de outros metais (Ni, Cr, V, W, Co, Mn) são lavrados para serem adicionados ao ferro, dando-lhe características, tais como, tenacidade e resistência à corrosão.
Depósitos associados às rochas ígneas:
Segregação Magmática _ grande massa de minério de ferro(magnetita) que forma-se durante o resfriamento de um magma rico em ferro e pobre em sílica.
4. Sinterização e Pelotização
O minério para poder ser utilizado no alto forno necessita ter um tamanho adequado de partícula. Para o alto-forno, a partícula dever de 10 a 30mm. Como nos minérios encontrados 55% das partículas medem menos de 10,0mm, é necessário aglomerá-los para poderem ser utilizado no alto-forno. Os processos utilizados são sinterização e pelotização
A Sinterização é realizada misturando-se as partículas de minério com carvão moído, calcário e água. A mistura é colocada em uma grelha entre 1000 e 1300ºC. O carvão queima gerando calor, fazendo as partículas derretem superficialmente unindo-se umas as outras. O sínter ainda quente é quebrado em pedaços menores.
Na Pelotização o minério é moído e umedecido adicionando-se insumos (ligantes) e é largado em um moinho em forma de tambor, inclinado, que gira, e sob a ação de um raspador forma aglomerados que vão se unindo até formar pelotas
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Figura 1: Disco de Pelotização.
As pelotas cruas em seguinda são secadas e queimadas paraseu endurecimento.
Depois que o minério de ferro é beneficiado, ele vai para o alto forno para se tranformar em ferro-gusa.
O ferro-gusa é a materia-prima para fabricação de aços e ferros fundidos.
3. FUNDENTE
Material que ajuda o minerio de ferro a se fundir, calcário ( carbonato de cálcio)., que além de facilitar a fusão, irá formar a escória, eliminado impurezas nocivas ao aço.
4. CARVÃO
Para elevar a temperatura da carga e fundir o minério, utiliza-se carvão mineral ou carvão vegetal. Porém, o carvão deverá ter um baixo teor de cinzas (material não-volátil) tornando-o coqueificável.
O carvão vegetal é utilizado diretamente na carga do alto-forno, pois é considerado um combustível de alta qualidade, ( prejuizo ambiental - desflorestamento) enquanto o carvão mineral produz o coque, tem bom rendimento,alto teor de carbono,
4. 1. Coque
O coque é o produto da queima incipiente, onde as substâncias voláteis contidas no carvão extraídas. Para que o carvão seja coqueificável é necessário que o teor de cinzas não ultrapasse a um teor em torno de 65%.
A função do coque ou do carvão vegetal é fornecer o gás redutor (CO) que irá separar o ferro do minério.
Minério de ferro + CO Ferro –gusa + escória.
NOTAS DE AULA – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS I AULA 3
O ALTO-FORNO E AS LIGAS DE FERRO
1. HISTÓRICO
Para fabrica o ferro fundido e o aço é necessário o ferro-gusa. O grande obstáculo para a produção do ferro é a alta temperatura necessária para a absorção do carbono.
Os primeiros a explorar o ferro foram os hititas (em torno de 1700A.C), povo que habitava a região do Cáucaso. Eles faziam um buraco no chão e aqueciam uma mistura de minério e carvão vegetal.
Na Europa, no começo do século XIX os processos de insuflação de oxigênio atingiram um nível tecnológico que permitiu aumentar a temperatura de combustão, agilizando o processo de obtenção do ferro. Surgiu aí a fundição de ferro e o alto-forno.
2. O ALTO-FORNO
O alto-forno é uma estrutura metálica que pode ter até 50 metro de altura (Big-blast Furnace) e se constitui de três regiões distintas: a cuba, a rampa e o cadinho.
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2. 1. Carga do Alto-forno
Como já vimos, a carga do alto-forno é constituída de coque ou carvão vegetal, fundente e minério de ferro, dispostos em camadas. Em torno da rampa estão dispostas as ventaneiras que insuflam ar aquecido, provocando a queima do coque, que irá liberar a energia necessária para a fusão do ferro.
Na parte inferior, cadinho, o ferro fundido é separado da escória por diferença de densidade. Mais em cima sai a escória, e mais embaixo são o ferro-gusa.
A vida útil de um alto-forno é grande, pois não pode ser desligado e ligado novamente, sob pena de se perder o alto-forno. O alto-forno 1 da Companhia Siderúrgica Nacional, CSN, iniciou a operação em 9 de janeiro de 1946 e só parou para a sua reforma em 20 de janeiro de 1992.
Ao sair do alto forno o gusa tem um teor de carbono entre 3 e 4,5%. O gusa pode ir para a aciaria para a fazer aço ou para a fundição de ferro fundido.
3. 2. Produtos do Alto-forno
Na região de descarga existem duas posições: a calha de vazão do ferro-gusa e a calha de separação da escória.
A escória é o subproduto gerado pelas reações que ocorrem dentro do alto-forno,
Que é resultado da combinação de vários elementos que são removidos do aço líquido. Essa escória tem densidade menor que o ferro líquido, por isso ela se separa facilmente do ferro.
Na região da cadinho, a escória é removida num nível superior ao do fero líquido.
3. PRODUÇÃO DO AÇO
Para produzir aço é necessário corrigir a composição do ferro-gusa. Os elementos principais que fazem parte do gusa são:
- Ferro
- Carbono (3 a 4,5%)
- Manganês (em torno de 2,0%)
- Silício(em torno de 1,0%)
- Fósforo(em torno de 0,6%)
- Enxôfre (em torno de 0,6%)
Para eliminar o excesso de carbono é realizada a oxidação do ferro gusa, isso é, o inverso do que foi feito para reduzir o minério. Para isso é insuflado ar para dentro do aço, que irá libera o carbono na forma de CO2. O oxigênio também irá reagir com outras impurezas, eliminando-as do aço através da escória.
4. CONVERSORES
Os principais equipamentos utilizados para fabricar aço, podem ser:
- Conversores.
- Fornos elétricos a arco
Os conversores são equipamentos na forma de pêra que bascula. Quando estão na posição horizontal recebem a carga. Quando estão na posição inclinada despejam o aço no cadinho ou em lingoteiras.
4.1. Conversor Bessemer
É constituído por uma carcaça revestida de refratário . Seu fundo é cheio de orifícios por onde passa o ar sob pressão. O fundo é substituível.
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Não é necessário combustível. A alta temperatura é mantida pelas reações químicas que ocorrem. O oxigênio se combina com o ferro que por sua vez se combina com o silício, o manganês e o carbono eliminando as impurezas na forma de escória e gás carbônico.
4.2 . Conversor Thomas
O outro conversor é o Thomas, que se diferencia do Bessemer apenas pelo tipo de revestimento refratário.
O revestimento do conversor Bessemer é ácido (a base de sílica), enquanto o conversor Thomas possuem revestimento refratário básico (a base de cal).
Por isso, o conversor Bessemer deverá trabalhar com escórias ácidas (a base de sílica), enquanto o conversor Thomas deverá trabalhar com escórias básicas (a base de cal).
4.3. Conversor L.D.
O conversor L.D. utiliza a injeção de oxigênio puro soprado sob pressão na superfície do gusa (zona de impacto), utilizando-se uma lança. A temperatura na zona de impacto chega a atingir 2500ºC acelerando a reação.
As desvantagens principal é que impossibilita o trabalho com sucata e a perda do metal por queima é muito grande.
4. Fornos a Arco Elétrico
É constituído por recipiente cilíndrico com fundo abaulado, revestidos com refratário. O aquecimento é gerado pela introdução de eletrodos que ao entrar em contato com a carga produzem um curto-circuito que provoca a fusão da carga.
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A carga de um forno a arco é constituída basicamente por sucata e fundente e é um processo que permite o controle preciso do teor de carbono presente no aço.
Exercícios
1) O que é um alto-forno e que ele produz?
2) Quais os componentes da carga de um alto-forno e qual a função de cada um dos componentes?
3) Qual a reação fundamental na fabricação do ferro-gusa?
4) Qual a composição química básica do ferro-gusa?
5) O que é a escória?
6) O que é um aço?
7) Qual a reação fudamental na fabricação do aço?
8) Para que serve o conversor?
9) Cite os tipos de conversores dizendo qual o tipo de gás é injetado no mesmo?
10) Que tipo de matéria-prima utilizada para fabricar aços em conversores?
11) Qual a diferença fundamental entre um aço e um ferro fundido?
12) Qual o princípio de funcionamento de um forno elétrico a arco?
13) Qual o principal tipo de matéria-prima utilizada para fabricar aços em fornos elétricos?
7. TIPOS DE MATERIAIS UTILIZADOS EM ENGENHARIA
São quatro os tipos de materiais utilizados em engenharia:
- Metais
- Polímeros.
- Cerâmicas.
- Compósitos.
a) Metais: são a maioria dos elementos da tabela periódica. Possuem poucos elétrons na camada de valência. São bons condutores de eletricidade e calor, maleáveis e dúcteis, possuem brilho metálico característico e são sólidos, com exceção do mercúrio.
b) Polímeros: são derivados em sua maioria do petróleo, com algumas exceções como no caso do silicone. Possuem ligações covalentes. São maus condutores de calor e maus condutores de eletricidade. São muito dúcteis e maleáveis.
c) Cerâmicas: Possuem baixa densidade, baixa condutividade térmica, alta resistência à corrosão e à abrasão e a capacidade de suportarem altas temperaturas sem se deformarem. Além de outras características específicas presentes em alguns desses materiais ( supercondutividade, condutividade iônica, propriedades nucleares, etc.), a utilização desses materiais tem crescido de forma surpreendente em uma infinidade de aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento humano. Este crescimento é fruto dos avanços do conhecimento científico e tecnológico no campo da ciência e engenharia dos materiais ocorridos nas últimas décadas.
d) Compósitos: São materiais formados pela combinação dos materiais anteriores. Existem compósitos que combinam polímeros com metais, cerâmico com metal, fibra de vidro com fibra de madeira, etc. A indústria aeronáutica já utiliza compósitos de alumínio com polímero (Aramida). Esse materiais permitem combinar propriedades, como por exemplo, leveza e resistência ao impacto, como no caso apontado anteriormente.
8. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
9. Materiais Metálicos
Os materiais metálicos utilizados em engenharia se dividem em dois 3 grandes grupos :
a) Metais puros
b) Ligas Ferrosas
c) Ligas não-ferrosas.
Os metais puros possuem aplicações específicas como por exemplo o cobre, que é utilizado puro quando se quer a mínima resistência elétrica.
As ligas ferrosas se dividem em dois grandes grupos:
a) Aços.
b) Ferros fundidos.
As ligas ferrosas tem o ferro como metal base (solvente), ao qual são adicionados elementos que irão dar características específicas.
A diferença básica entre aço e ferro fundido é o teor de carbono:
a) Aço: Até 2% C.
b) Ferro fundido: Até 4,5%C.
As ligas não-ferrosas apresentam como base um metal diferente do ferro. Os principais tipos e mais aplicados industrialmente são:
a) Ligas de alumínio.
b) Ligas de cobre.
c) Ligas de Zinco.
d) Ligas de magnésio.
e) Ligas de níquel.
f) Ligas de titânio.
g) Ligas de cobalto.
NOTAS DE AULA – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS I AULA 3
AÇOS E FERROS FUNDIDOS
1. PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA
Para melhorar ou mesmo, conferir propriedades ao aço, são adicionados outros elementos em sua composição. Veremos a seguir os principais elementos e as propriedades que eles conferem.
a) Cromo
- Aumenta a temperabilidade (até 1,5%). É a mais forte influência sobre a temperabilidade.
- Aumenta a dureza pela formação de partículas duras de carboneto de cromo (em torno de 5%).
- Aumenta a resistência à corrosão (acima de 12%).
b) Molibdênio
- Aumenta a temperabilidade moderadamente.
- Mantêm a dureza do aço em temperatura elevada.
- Aumenta a resistência mecânica.
c) Tungstênio
- Aumenta a temperabilidade moderadamente.
- Aumenta a resistência ao desgaste pela formação carbonetos duros.
- Mantêm a dureza em alta temperatura.
d) Vanádio
- Inibe o crescimento do grão.
- Aumenta a temperabilidade e a tenacidade.
e) Alumínio
- É utilizado como desoxidante na fabricação do aço.
- É refinador de grão.
e) Titânio e Nióbio
- São refinadores de grão.
2. FERROS FUNDIDOS
Os ferros fundidos são obtidos a partir do gusa, são ligas compostas fundamentalmente por ferro, carbono e silício(1 a 3%). , podendo ainda receberem elementos de liga.
São produzidos em sua maioria em equipamento chamados de cubilô.
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3. 1. Tipos de Ferros Fundidos
.Existem quatro tipos de ferros fundidos:
- Ferro fundido branco
- Ferro fundido cinzento.
- Ferro fundido maleável.
- Ferro fundido nodular.
O ferro fundido branco se diferencia do ferro fundido cinzento pela cor da fratura. Enquanto no branco a face de fratura apresenta a coloração branca, no ferro fundido cinzento a coloração é escura, daí a denominação.
No ferro fundido cinzento o carbono se apresenta na forma de grafita, que é carbono puro. No ferro fundido branco o carbono se apresenta na forma de cementita, que é um carboneto de ferro.
O ferro fundido maleável é produzido a partir do ferro fundido branco submetido a um tratamento térmico, que altera a forma na qual o carbono se apresenta. Esse passa de cementita para grafita, porém não em veios como no ferro fundido cinzento.
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Composição química dos ferros fundidos comerciais
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4. 2. Propriedades Importantes dos Ferros Fundidos
a) Ferro fundido Branco
- Dureza eleva.
- Frágil.
- Resistente à compressão.
- Resistente a abrasão.
b) Ferro fundido cinzento
- Boas usinabilidade.
- Capacidade de amotecer vibrações.
b) Ferro Fundido Maleável
- Alta resistência mecânica.
- Permite a produção de peças complexas e finas devido asua fluidez.
- Pode ser de núcleo preto onde o tratmaneto térmico é realizado no sentido de compactar a grafita dstruindo a forma lamelar do cinzento.
- Pode ser de núcleo branco onde o tratamento ´termico é realizado no sentido de remover o carbono por descarbonetação.
c) Ferro Fundido Nodular
- Pode apresentar ductilidade dependendodotratamento térmico realizado.
- É tenaz e apresenta usinabilidde melhorque os aços-cabono.
- É mais resistente à corrosão que de alguns aços-carbono.
4. 3. Aplicações
a) Branco
- Mineração e moagem.
- Rodas de vagões.
- Revestimentos de moinhos.
b) Cinzento
- Bloco ecabeçotes demotor.
- Discos e tambores de freio.
- Suporte, base e baramentos de máquinas.
c) Maleável
- Cubos de rodas.
- Conexões para tubulaçõe hidráulicas.
- Corpos de mancais.
- Flanges para tubos de escapamento.
d) Nodular
- Mancais.
- Virabrequins.
- Caixasdediferencial.
- Carcaças de transmissão.
3. AÇOS
Os aços se diferenciam dos ferros fundidos fundamentalmente quanto ao teor de carbono. Enquanto nos ferros fundidos o o teor de carbono se situa entrew 2,5 e 4,0%, nos aços o teor de carbono não ultrapassa a 2,0% ( com excessão dos aços grafíticos).
A composição básica dos aços é a mesma dos ferros (C, Mn, Si, P, S) podendo apresentar elementos de liga ou não.
A classificação geral dos aços está mostrada no esquema abaixo:
Baixa liga : Somatório dos elementos de liga é menor que 5%.
3. 1. Aços ao Carbono
São aços que possuem a composição básica (Fe, C, Mn, Si, P, S). Os teores de cada um desses elementos são os seguintes:
C – 0,04 a 0,9%
Mn – 1,3% máx.
Si – 0,15 a 0,35%
P e S – máximo 0,04%.
3. 2. Aços de Usinabilidade Fácil
São aços aos quais são adicionados o chumbo, fósforo e enxôfre. Os tipos estão classificados da seguinte forma:
- Aços ressulfurados (S maior que 0,04%)
- Aços resulfurados e refosforados ( S e P maiores que 0,04%)
- Aços refosforados e resulfurados com chumbo.
3. 2. Aços de Baixa Liga
Estes aços abrangem um grupo de materiais utilizados na fabricação de componentes tais como: peças de veículos, máquinas, etc.
Também podem ser utilizados na fabricação de ferramentas manuais tais como: chaves de fenda, alicates, etc.
3. 3. Aços de Alta Liga
São aços utilizados para fins especiais, onde propriedades específicas devem ser atendidas.
a) Aços Ferramentas: são aços utilizados para a fabricação de ferramentas de conformação, que serão utilizadas para conformar componenetes mecânicos como: peças forjadas, injeção de plástico, etc.
b) Aços Rápidos: São aços utilizados para corte de outro aços. Possuem a propriedade de manter dureza em alta temperatura.
c) Aços Inoxidáveis: São aços onde a propriedade fundamental requerida é a resistência à oxidação.
EXERCÍCIOS
1 ) Qual a diferença fundamental entre o aço e o ferro fundido?
2) Quais os principais tipos de ferros fundidos?
3) Cite uma propriedade notável de cada tipo.
4) Cite uma aplicação de cada tipo de ferro fundido.
5) O que diferencia um aço de baixa liga de um aço de alta liga?
6) Cite um exemplo de aplicação de um aço de construção mecânica.
7) Que tipo de aço é utilizado para construir ferramentas de conformação?
8) Que tipo de aços é utilizado para corte de outros aços?
9) Que tipo de aço é indicado para resistência à corrosão?
10) Qual o tipo de aço utilizado para facilitar a usinagem?
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Cadinho
rampa
cuba
A – Até 50m
D – Até 20m
D
A
Posição de descarregamento
Nível do metal líquido
revestimento
Posição de sopro
chama
PROPRIEDADES
Mecânicas
Térmicas (condutibilidade)
Elétricas (resistividade)
Estáticas
Dinâmicas
Tração
compressão
Impacto
Fadiga
Dureza
Químicas
Resistência à corrosão
Resistência à oxidação
Físicas
Ferro fundido cinzento
Ferro fundido maleável
Ferro fundido nodular
Não-ligados – Aços ao carbono.
Aços de usinabilidade fácil.
Aços de construção mecânica.
Aços para ferramentas manuais.
Baixa liga
AÇOS
Ligados
Aços para ferramentas
Aços rápidos
Aços inoxidáveis
Alta liga
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