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, forjabilida
de.

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

1. 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 altoforno
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


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, fósfo
ro, 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


AÇOS
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO COMPOSIÇÃO QUÍMICA

AÇOS


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).

AÇOS


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.

AÇOS
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS ALEMÃS DIN


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)


AÇOS
CLASSIFICAÇÃO 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 C
2º Símbolos químicos dos elementos de liga que mais caracterizam o aço.
3º Percentagem dos elementos de liga dividido por 4-10100, 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)

AÇOS
CLASSIFICAÇÃO QUANTO A APLICAÇÃO DO AÇO


Aços de usinagem fácil


Tem essa denominação, pois além de manterem boas
propriedades mecânicas, apresentam “corte fácil”.



A excelente usinabilidade, conseguida nesses materiais, devese a adição de Enxofre, Manganês e Chumbo.



Ex: aço ABNT 1111, aço ABNT 1112

AÇOS


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


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


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


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


Aços resistentes à corrosão


Esses aços também chamados aços inoxidáveis, caracterizamse 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



Aços para fins elétricos e magnéticos


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

AÇOS



Aços resistentes ao calor


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

DIFERENÇA ENTRE
AÇOS 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

“Ferro

fundido é a liga ferro-carbonosilício 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.





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.





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.





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 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


CALLISTER, W.D. Engenharia e Ciência dos Materiais, uma introdução.
McGrall-Hill, 1998.



CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. Editora ABM, 2004.

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COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Editora
Edgard Blücher. São Paulo, 2008.

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

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

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

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

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