Departamento Regional de São Paulo
Tecnologia dos Materiais
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ” EPT - SISTEMAS INTEGRADOS DE MANUFATURA
EPT - Sistemas Flexíveis de Manufatura
Tecnologia dos Materiais
SENAI-SP,
2005
Trabalho organizado organizado pela Escola SENAI “Almirante Tamandaré”, a partir dos conteúdos extraídos da Intranet do Departamento Regional do SENAI-SP.
1ª edição, 2005
Coordenação Geral
Murilo Strazzer
Equipe Responsável
Coordenação Estruturação Revisão
Celso Guimarães Pereira Ilo da Silva Moreira Carlos Gonçalves da Silva
SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de São Paulo Escola SENAI “Almirante Tamandaré” Av. Pereira Barreto, 456 456 CEP 09751-000 São Bernardo do Campo - SP Telefone: (011) 4122-5877 FAX: (011) 4122-5877 (ramal 230) E-mail:
[email protected] [email protected] ai.br
Cód. 120.5.004
Sumário
Pági Página na 4
Clas Classi sifi fica caçã ção o e cara caract cte eríst rístic ica as de mate materi riai ais s
17
Obtenção do fer ferro gu gusa e ferro fundido
45
Aço
81
Comp Compor orta tame ment nto o das das lig ligas as em funç função ão da temp temper erat atur ura a e comp compos osiç ição ão
94
Diagrama ferro-carbono
114
Tratamentos térmicos dos aços
146
Metais não ferrosos e ligas
164
Sinterização
175
Corrosão dos metais
194
Materiais plásticos
Tecnologia dos Materiais CLASSIFICAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS Objetivos Ao final desta unidade o participante participante deverá: deverá: Conhecer Estar informado sobre:
• Classificação dos materiais materiais naturais, naturais, artificiais, artificiais, ferrosos ferrosos e não-ferrosos; não-ferrosos; • Propriedades Propriedades dos materiais. Saber Reproduzir conhecimentos sobre:
• Estrutura dos metais; • Formação da estrutura na solidificação; • Componentes Componentes da estrutura: átomo, cristais, cristais, grão, contorno do grão; grão; • Propriedades Propriedades físicas dos metais. Introdução Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários, selecionar o material adequado que o constituirá. Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu custo.
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Tecnologia dos Materiais Classificação de materiais Apresentamos a seguir uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definidos em função de suas características e propriedades.
materiais
metálicos
ferrosos
o ç a
o F o F
não metálicos
não ferrosos
s o d a s e p
s e v e l
sintéticos
s o c i t s á l p
s e d i ó n i s e r
naturais
. a c r o r t i e u e d o a m m
Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupos e emprego a que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer para podermos empregá-los mais adequadamente. Materiais metálicos Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os ferrosos e os não-ferrosos. Materiais metálicos ferrosos Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção mecânica.
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Tecnologia dos Materiais Os materiais ferrosos mais importantes são:
• Aço: liga de Fe e C com C < 2% - material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.
• Ferro fundido: liga de Fe e C com 2 < C < 5% - material amplamente empregado na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem. Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência. Materiais metálicos não-ferrosos São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos. Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos. Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade:
• Metais pesados: (ρ > 5kg/dm3) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc. • Metais leves: (ρ < 5kg/dm3) alumínio, magnésio, titânio, etc. Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes que possam ser substituídos por materiais ferrosos. Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais. São também bastante utilizados em componentes elétricos.
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Tecnologia dos Materiais Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas têm aumentado consideravelmente, principalmente na construção de veículos, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais. Materiais não-metálicos Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em: • Naturais: madeira, couro, fibras, etc. • Artificiais ou sintéticos: baquelite, celulóide, acrílico, etc.
Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos de metais. Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vêm-se tornando uma presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc. Deles nos ocuparemos um pouco mais na unidade Materiais plásticos. Estrutura cristalina dos metais A maioria dos metais ao se solidificar experimenta uma contração de volume, o que indica uma menor separação entre os átomos no estado sólido. Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar livremente uns em relação aos outros. No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de determinadas posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao se solidificarem.
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Arranjo dos átomos
Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresentam uma ordenação geométrica especial característica, que é uma função da natureza do metal. Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros materiais nãometálicos, denomina-se estrutura cristalina. Tipos de estruturas cristalinas Dentre as estruturas destacamos três tipos: 1) Rede cúbica de faces centradas Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.
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Tecnologia dos Materiais 2) Rede cúbica de corpo centrado Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.
3) Hexagonal compacta Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. - A dimensão da rede varia de tipo para tipo.
A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende do tipo da estrutura cristalina. Nas estruturas do tipo (1) a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura (3) a transformação é mais difícil de ser verificada. No processo de dobramento de metais que possuem o tipo (3) – exemplo: Mg e Zn, a peça pode quebrar mais facilmente do que nos metais que possuem estrutura do tipo (1) – exemplo: aço ou Al.
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Tecnologia dos Materiais Formação da estrutura na solidificação A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do material, os seus constituintes e propriedades. No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura, diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles. Por isto os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais (embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominadas eixo de cristalização. À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos. Observe a seguir o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.
O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e com o tipo de metal. Num mesmo metal podem-se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de solidificação (velocidade de resfriamento e pressão). Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de grãos (estrutura fina). Caso contrário, ocorre o inverso (estrutura grossa). As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração. A figura, a seguir, apresenta no diagrama de solidificação como se processa a formação dos metais durante o resfriamento.
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Diagrama de solidificação
Propriedades dos materiais Na construção de peças e componentes, devemos observar se os materiais empregados possuem as diversas propriedades físicas e mecânicas que lhe serão exigidas pelas condições e solicitações do trabalho a que se destinam. A seguir mostraremos algumas dessas propriedades. Elasticidade Uma mola deve ser elástica. Por ação de uma força, deve se deformar e, quando cessada a força, deve voltar à posição inicial.
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Para comprovarmos a elasticidade do aço para molas, prendemos a mola na morsa por um lado e a estiramos pelo outro lado até que se estique. Quando a soltamos, se a mola voltar à posição inicial é porque o aço possui boa elasticidade. Fragilidade Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques, enquanto que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim, os materiais que possuem baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplos: FoFo, vidro, etc. Ductilidade Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação de força se deformam plasticamente, conservando a sua coesão, por exemplo: cobre, alumínio, aço com baixo teor de carbono, etc. Na figura seguinte temos um fio de cobre de 300mm de comprimento. Se puxarmos este fio, ele se esticará até um comprimento de 400 a 450mm sem se romper porque uma das qualidades do cobre é ser dúctil.
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Ductilidade
Tenacidade Se um material é resistente e possui boas características de alongamento para suportar um esforço considerável de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é chamado tenaz. A chave da figura seguinte pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é de um material tenaz.
Tenacidade
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Tecnologia dos Materiais Dureza As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e possam penetrar em um material menos duro. A dureza é, portanto, a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.
Resistência Resistência de um material é a sua oposição à mudança de forma e ao cisalhamento. As forças externas podem exercer sobre o material cargas de tração, compressão, flexão, cisalhamento, torção ou flambagem.
Flexão
Cisalhamento
Torção
Tração
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Flambagem
Compressão
Toda força externa gera no material tensões de acordo com o tipo de solicitação. Elasticidade e plasticidade São propriedades de mudança de forma. Denominamos deformação elástica à deformação não permanente e deformação plástica à deformação permanente. Densidade A densidade de um material está relacionada com o grau de compactação da matéria. Fisicamente, a densidade ( ρ) é definida pela massa (M) dividida pelo volume (V).
ρ =
M Kg V dm 3
Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço:
ρ Cu = 8,93kg/dm3 ρ Aço = 7,8kg/dm3
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Tecnologia dos Materiais Questionário – resumo 1. Quais os materiais metálicos ferrosos mais importantes ?
2. Como são classificados os materiais metálicos não-ferrosos em função da densidade ?
3. Dê exemplos de materiais não-metálicos naturais e artificiais ou sintéticos.
4. Cite três tipos de estrutura cristalina dos metais e como elas se comportam frente à transformação mecânica ?
5. Como ocorre a formação da estrutura cristalina na solidificação ?
6. Comente as seguintes propriedades dos materiais: densidade, resistência, fragilidade, ductilidade, tenacidade, elasticidade e dureza.
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Tecnologia dos Materiais OBTENÇÃO DO FERRO GUSA E FERRO FUNDIDO Objetivos Ao final desta unidade o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre:
• Processo de obtenção do ferro gusa no alto-forno e os materiais utilizados; • Reações químicas que ocorrem no alto-forno; • Obtenção, classificação e tipos de ferro fundido; • Fundição em areia. Saber Reproduzir conhecimentos sobre:
• Características da estrutura do carbono nos ferros fundidos lamelar e globular; • Propriedades e exemplos de aplicação do ferro fundido branco, cinzento, nodular e maleável;
• Normas ABNT, DIN e ASTM. Ser capaz de Aplicar conhecimentos para:
• Selecionar os ferros fundidos em função de suas propriedades.
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Tecnologia dos Materiais Introdução O elemento químico ferro é o metal mais usado para as construções mecânicas. Nesta unidade, estudaremos como ele é extraído do minério e transformado em ferro gusa e depois em ferro fundido. Na próxima unidade ( Aço), estudaremos como o ferro gusa se transforma em aço. Obtenção do ferro gusa Os minérios de ferro são rochas que contêm óxidos de ferro ou carbonatos de ferro agregados a quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo, manganês. Minério
Designação química
Fórmula química
Conteúdo de Fe
Magnetita
Óxido ferroso férrico
Fe 3O4
60...70%
Hematita roxa
Óxido de ferro anidro
Fe 4O3
40...60%
Hematita parda ou limonita
Óxido de ferro hidratado
2Fe 2O3 + 3H2O
20...45%
Siderita
Carbonato de ferro
FeCO 3
30...45%
Antes da fusão do minério no alto-forno para a obtenção do ferro gusa, o minério deve ser britado (quebrado). As impurezas pétreas são separadas por flotação e, em seguida, elimina-se a umidade e parte do enxofre. Os minérios de granulometria fina são compactados formando briquetes.
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Tecnologia dos Materiais Transformação do minério em metal A transformação do minério em metal é feita no alto-forno que é um forno de cuba com uma altura de 30 a 80m e um diâmetro máximo de 10 a 14m.
Neste forno entra o minério e sai o ferro gusa que contém 5 – 6% de carbono, ± 3% de silício (Si), ± 6% de manganês (Mn) assim como altos teores de enxofre e fósforo. Um teor alto de carbono, enxofre e fósforo tornam o ferro gusa muito frágil, não forjável e não soldável.
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Tecnologia dos Materiais Alto-forno (funcionamento) A transformação do minério em ferro gusa é feita em dois movimentos: o movimento descendente de carga (sólidos) em oposição ao movimento ascendente dos gases.
Alto-forno
As cargas introduzidas introduzidas na goela goela do alto-forno alto-forno para ser obtido obtido o ferro gusa gusa são as seguintes: seguintes:
• Minério Óxido de ferro (Fe 2O3) quebrado e aglomerado.
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Tecnologia dos Materiais • Coque metalúrgico Possui grande resistência ao esmagamento e uma excelente. Porosidade para deixar passar a corrente gasosa.
• Fundente adicional Permite a separação do metal da ganga numa temperatura relativamente baixa. A composição do fundente depende da natureza da ganga. Exemplos de fundentes:
• Mn Atua como dissulfurante, dissulfurante, desoxidante desoxidante e elemento elemento de liga, 33 33 a 35kg/ton de de aço.
• Cal Adicionada para para facilitar a fusão fusão da escória e é também um desfosforizante. desfosforizante.
• Fluorita CaF2 Ajuda na fluidificação fluidificação da escória. escória. Os movimentos descendente e ascendente produzidos no alto-forno formam as seguintes zonas: Secagem (entre Secagem (entre 300 0C e 3500C) A água contida contida nos elementos elementos da carga é evaporada e parte do enxofre enxofre também é eliminada. eliminada. Redução (entre Redução (entre 350 0C e 7500C) O minério (óxido de ferro) combina-se com o monóxido de carbono (CO) (veja equação ao lado).
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Tecnologia dos Materiais Equação química da redução 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 Carbonetação (entre Carbonetação (entre 750 0C e 1150 0C) Com a temperatura elevada, o óxido de ferro entra em combinação parcial com o monóxido de carbono, formando o dióxido de carbono. Numa outra reação, o ferro (Fe) combina-se com o carbono formando a cementita Fe 3C, numa combinação muito dura. Após a carbonetação, o ponto de fusão da liga ferro e carbono diminui bastante (veja equação ao lado). Equação química da carbonetação 3FeO + 3CO → 3Fe + 3CO2 3Fe + C → Fe3C Fusão (entre Fusão (entre 1150 0C e 18000C) Corresponde à passagem do ferro carburado (o gusa) do estado sólido ao líquido. A transformação em líquido é feita numa temperatura aproximada de 1600 0C. O metal líquido escorre para o fundo do cadinho, enquanto que sobre o metal fica a escória, separada por diferença de densidade. A escória fica na superfície e protege o gusa contra a oxidação que o ar injetado das ventaneiras poderia provocar. O ferro gusa que sai do alto-forno pode ser solidificado em pequenos lingotes que servirão de matéria-prima para uma segunda fusão, de onde resultará o ferro fundido, ou o gusa poderá ser transportado líquido (carro torpedo) para a aciaria.
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Tecnologia dos Materiais Ferro fundido É uma liga de ferro carbono com um teor de carbono de 2% a 4,5%. Esse material se caracteriza frente ao aço por um ponto de fusão mais baixo e uma moldabilidade mais fácil. Portanto, para peças de forma complicada, a fundição em ferro fundido é mais econômica do que a fundição em aço. O ferro gusa é transformado numa segunda fusão em ferro fundido (FoFo). Esta fusão é feita em fornos tipo cubilô ou forno elétrico. A carga desses fornos é formada de lingotes de ferro gusa, sucata de aço e ferro fundido, coque e fundente (calcário), podem-se também adicionar elementos de liga como o cromo, níquel ou molibdênio. Através desta segunda fusão, obtém-se uma estrutura mais densa com a granulação mais fina e uniforme. Forno cubilô O forno cubilô é um forno de cuba, cilíndrico com um diâmetro de aproximadamente um metro, e uma altura de seis a oito metros. Compõe-se de uma camisa de chapa de aço revestida com um material refratário. Esse forno é carregado por cima, como o alto-forno.
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Forno cubilô
Após o aquecimento, quando se encontra no estado líquido, o ferro fundido acumula-se em um cadinho, na parte inferior, e, em seguida, é feita a corrida. O ferro fundido é vertido em uma caçamba de fundição e transportado até os moldes onde são fundidas as peças. Tipos de ferro fundido O carbono contido no ferro fundido pode estar combinado com o ferro formando a cementita que é dura e quebradiça e apresenta uma fratura clara (ferro fundido branco). Quando o carbono está separado do ferro formando veios de grafite, apresenta uma fratura cinzenta (ferro fundido cinzento). A quantidade e o tamanho dos veios de grafite que se formam dependem da composição química e da velocidade de resfriamento.
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Tecnologia dos Materiais Aumentando o teor de silício e diminuindo a velocidade de resfriamento, há maior formação de grafite. No entanto, se aumentarmos o teor de manganês e a velocidade de resfriamento, o carbono ficará combinado com o ferro formando a cementita.
Ferro fundido cinzento (GG) Nesse tipo de ferro fundido, o carbono se apresenta na forma de veios de grafite. Esses veios de grafite (lamelas) são formados devido a um resfriamento lento no momento da fundição e/ou devido à composição química do material (alto teor de silício).
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Tecnologia dos Materiais O ferro fundido cinzento ou lamelar (GG ou GGL) é, comercialmente, barato e tem as seguintes características quanto ao processo de fabricação:
• Funde-se com facilidade. • Contrai-se pouco ao esfriar. • Tem pouca tendência a formar vazios internos. • Apresenta boa usinabilidade. O ferro fundido cinzento apresenta também as seguintes propriedades mecânicas:
• Fragilidade (resiste pouco às solicitações por choque). • Resistência baixa a tração (causada pelos veios de grafite). • Boa capacidade de deslizamento (melhor que a do aço). • Resistência a compressão elevada. • Grande poder de amortecimento interno de vibrações mecânicas. A resistência a compressão e o poder de amortecimento de vibrações tornam o ferro fundido cinzento ideal para confecções de carcaças de motores e corpos de máquinas. Ferro fundido nodular (GGG) Se se adicionam, na hora do vazamento do ferro fundido na panela, ligas de magnésio (níquelmagnésio ou ferro-silício-magnésio), o grafite não se agregará sob a forma de lamelas e sim sob a forma de glóbulos. Por essa razão esse ferro fundido é chamado globular ou nodular.
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Tecnologia dos Materiais O grafite estando na forma globular proporciona ao ferro fundido maior resistência a tração, flexão e alongamento. Outra característica do ferro fundido nodular é que ele resiste bem a agentes químicos e ao calor. Por isso é muito usado em tubos e fornos de indústrias químicas, em máquinas agrícolas, na construção de tratores e automóveis, na construção de bombas e turbinas. Ferro fundido branco ou duro (GH) Nesse tipo de ferro fundido, o carbono está sempre combinado com o ferro, formando um componente duro na estrutura – a cementita (Fe 3C). Composição típica de ferro fundido duro C...................................2,8 a 4,0% Si..................................0,2 a 1,0% Mn................................0,6 a 1,5% S..................................0,2 a 0,45% P...................................0,15 máx.
A cementita é formada devido a um resfriamento rápido do ferro fundido e devido à influência de elementos químicos: um teor de silício baixo e de manganês elevado. Pela escolha adequada da composição química do ferro fundido e pelo controle da velocidade de resfriamento do metal no molde, é possível fazer uma peça onde a superfície seja de ferro fundido duro e o núcleo de ferro fundido cinzento. Essas características são interessantes para alguns tipos de peças como, por exemplo, a roda de trem que deve ter resistência ao desgaste e, ao mesmo tempo, resistência a impactos. Ferro fundido maleável (GT) O ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco que é submetido à maleabilização (tratamento térmico posterior à fundição) tornando-se, assim, bem tenaz, algo deformável e facilmente usinável.
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Tecnologia dos Materiais Composição típica de um ferro fundido branco destinado a ser maleabilizado. Carbono combinado...................3,0 a 3,50% Si................................................0,50 a 0,80% Mn..............................................0,10 a 0,40% S................................................0,20 a 0,05% F.................................................0,15% máx.
Distinguem-se dois tipos de ferro fundido maleável:
• Ferro fundido maleável branco • Ferro fundido maleável preto Ferro fundido maleável branco (GTW) É próprio para a fabricação de peças pequenas de pequena espessura de parede. Essas peças são fundidas em ferro fundido branco e depois, por um longo tratamento térmico de descarbonetação, reduz-se o teor de carbono da superfície da peça de 2 a 4% para 1 a 1,5% (com isso conseguimos um material menos frágil). O tratamento de descarbonetação consiste em colocar as peças fundidas em ferro fundido branco em caixas contendo óxidos de ferro f inamente granulado. Depois, colocamos essas caixas em fornos a temperatura de 900 a 1050 0C durante dois a cinco dias. Ou segundo procedimentos mais modernos, a peça é aquecida em fornos elétricos ou a gás com uma atmosfera oxidante. Através do aquecimento, o óxido de ferro se decompõe, liberando o oxigênio que irá reagir com o carbono contido na peça. Com isso se reduz o teor de carbono na superfície da peça de 2,5 a 3,5% para 0,5 a 1,8% C. A profundidade de descarbonetação é limitada e por isso se emprega esse tratamento em peças de paredes delgadas de até 12mm.
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Tecnologia dos Materiais Ferro fundido maleável preto (GTS) Para a obtenção de ferro fundido maleável preto, faz-se um tratamento térmico de recozimento no ferro fundido branco (800 a 900 0C durante vários dias) em uma atmosfera neutra, por exemplo, envolvendo a peça em areia.
Diagrama do tratamento térmico
Nesse caso, a cementita do ferro fundido branco se decompõe em grafite em forma de nódulos e ferrita. Esse tipo de tratamento não depende da espessura da parede da peça. Observação Na figura seguinte, observamos um resumo de como são obtidos os vários tipos de ferros fundidos.
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Obtenção dos vários tipos de ferro fundido
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Tecnologia dos Materiais O processo de fundição Para fundir uma peça, confecciona-se primeiro um modelo em madeira, aço, alumínio ou plástico, de acordo com os planos técnicos. Esse modelo deve ser um pouco maior do que a peça, devido à contração do metal ao se solidificar e esfriar conforme tabela seguinte. Material
Contração do metal (%)
Aço
2
FoFo
1
Alumínio
1,25
Liga CuZnSn
1,50
As figuras a seguir mostram a sequência da fundição de uma peça.
Desenho da peça
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Modelo fabricado em madeira, levando-se em conta a contração do metal. Este modelo é dividido em duas partes. Coloca-se o modelo sob a caixa de fundição e compacta-se a areia.
Macho construído em areia com resina para ter maior resistência
Colocação do macho no molde
Vazamento do metal no molde
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Peça fundida com o canal de vazamento e massalote
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Tecnologia dos Materiais É importante notar que as propriedades mecânicas das peças fundidas variam dentro de uma mesma peça em função da espessura da parede, da forma da secção, da maior ou menor velocidade de resfriamento em cada ponto. As figuras a seguir mostram os defeitos mais comuns que aparecem nas peças fundidas. Inclusões de escórias Escórias e óxidos metálicos que se misturaram no metal durante o vazamento.
Poros O material fundido não se solidifica uniformemente. A solidificação se produz de fora para dentro. Nos lugares mais grossos da peça, formam-se vazios que são denominados poros ou cavidades.
Para evitar esse problema, é conveniente que as peças fundidas não tenham uma variação brusca de espessura das paredes, ou que se acrescentem partes na peça que se solidifiquem por último e que irão conter os poros, bolhas e inclusões. Essas partes são chamadas de massalote e serão eliminadas depois. ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
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Tecnologia dos Materiais Trincas A variação de secção provoca também diferentes velocidades de resfriamentos o que pode ocasionar diferentes estruturas e tensões internas na peça, provocando trincas. Para uniformizar a velocidade de resfriamento, podem-se alojar no molde placas de resfriamento.
Bolhas A umidade da areia do molde se decompõe em hidrogênio e oxigênio com a temperatura de vazamento do metal e esses gases penetram na estrutura do material.
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Tecnologia dos Materiais Desigualdade na espessura das paredes É provocada pelo deslocamento do macho durante o vazamento.
Paredes mais grossas e irregulares São provocadas pela compactação insuficiente da areia, que se desprende com a pressão do material durante a fundição.
Como descobrir defeitos de fundição Antes da usinagem, é interessante examinar as peças fundidas com a ajuda de raios X ou de ultra-som para detectar defeitos (bolhas ou inclusões internas). Caso contrário esses defeitos só serão percebidos durante a usinagem o que acarretará uma perda de tempo e elevação dos custos. Classificação e nomenclatura dos ferros fundidos As normas especificam os ferros fundidos com letras e números onde cada um possui um significado. Nos exemplos, a seguir, temos especificações segundo a norma DIN e ABNT.
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Tecnologia dos Materiais DIN GG 40 Resistência a tração 400N/mm 2 Ferro fundido cinzento GGG 60 Resistência a tração 600N/mm 2 Ferro fundido nodular ABNT FC 40 Resistência a tração 400N/mm 2 Ferro fundido cinzento Características segundo DIN Símbolo GG – Densidade: 7,25kg/dm 3 Ponto de fusão: 1150 – 1250 0C Temperatura de fundição: 1350 0C Resistência a tração: 10 – 40kp/mm 2 Alongamento: insignificante Contração: 1% Composição: 2,6 - 3,6% C 1,8 - 2,5% Si 0,4 - 1,0% Mn 0,2 - 0,9% P 0,08 - 0,12% S
Classificação do ferro fundido cinzento O ferro fundido é classificado por suas classes de qualidade. Essas classes são especificadas por vários sistemas de normas tais como DIN, ASTM, etc. Por exemplo, a ABNT especifica as classificações da seguinte forma:
• As classes FC10 e FC15 possuem excelentes fusibilidade e usinabilidade e são indicadas, principalmente a FC15, para bases de máquinas e carcaças metálicas.
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Tecnologia dos Materiais • As classes FC20 e FC25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas, barramentos, cabeçotes, mesas, etc.
• As classes FC30 e FC35 possuem maior dureza e resistência mecânica e aplicam-se em engrenagens, buchas, blocos de motor, etc.
• A classe FC40 de maior resistência que as outras possui elementos de liga, como cromo, níquel e molibdênio, sendo empregada em peças de espessuras médias e grandes. Classes de ferros fundidos cinzentos segundo ABNT
Classe
Limite de resistência a tração (min.) X 10 [N/mm2]
Dureza brinell (valores máximos)
Resistência à flexão estática (valores médios) X 10 [N/mm2]
FC10
10
201
-
FC15
23
241
34
18
223
32
15
212
30
11
201
27
28
255
41
23
235
39
20
223
36
16
217
33
33
269
-
28
248
46
25
241
42
21
229
39
33
269
-
30
262
48
26
248
45
38
-
-
35
277
54
31
269
51
40
-
60
36
-
57
FC20
FC25
FC30
FC35
FC40
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38
Tecnologia dos Materiais A ASTM agrupa os ferros fundidos cinzentos em sete classes. Os números das classes ASTM representam valores de resistência a tração em
l
b/pol2, os valores métricos para o limite de
resistência a tração são aproximados. Classes
Resistência a tração
Resistência a tração
20
20.000
l
b/pol2
140N/mm2
25
25.000
l
b/pol2
175N/mm2
30
30.000
l
b/pol2
210 N/mm2
35
35.000
l
b/pol2
245N/mm2
40
40.000
l
b/pol2
280N/mm2
50
50.000
l
b/pol2
350N/mm2
60
60.000
l
b/pol2
420N/mm2
Classificação de ferro fundido nodular segundo ABNT especificação P-EB-585.
Classe
A título informativo Limite de Limite de resistência Estruturas escoamento Alongamento Faixa de a tração, dureza predominantes (0,2%) min. (5d), min. % min. 2 aproximada Kg/min Kg/mm2 brinell
FE 3817
38,0
24,0
17
140-180
Ferrítica
FE 4212
42,0
28,0
12
150-200
Ferrítica-perlítica
FE 5007
50,0
35,0
7
170-240
Perlítica-ferrítica
FE 6002
80,0
40,0
2
210-280
Perlítica
FE 7002
70,0
45,0
2
230-300
Perlítica
FE 3817
38,0
24,0
17
140-180
Ferrítica
RI* *Classe com requisito de resistência a choque.
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39
Tecnologia dos Materiais Aplicações dos ferros fundidos cinzentos, segundo as classes ASTM Classe
Espessura das peças Fina: até 13mm
20
Média: de 13 a 25mm Grossa: acima de 25mm
Aplicações Utensílios domésticos, anéis de pistão, produtos sanitários, etc. Bases de máquinas, fundidos ornamentais, carcaças metálicas, tampas de poços de inspeção, etc. Certos tipos de tubos, conexões, bases de máquinas pesadas, etc.
Fina: até 13mm 25
Média: de 13 a 25mm
Aplicações idênticas às da classe 20, quando se necessita de maior resistência mecânica.
Grossa: acima de 25mm Fina: até 13mm 30
Média: de 13 a 25mm Grossa: acima de 25mm
Elementos construtivos: pequenos tambores de freio, placas de embreagem, cárters, blocos de motor, cabeçotes, buchas, grades de filtro, rotores, carcaças de compressor, tubos, conexões, pistões hidráulicos, barramentos e componentes diversos usados em conjuntos elétricos, mecânicos e automotivos.
Fina: até 13mm 35
Média: de 13 a 25mm
Aplicações idênticas às da classe 30.
Grossa: acima de 25mm
Fina: até 13mm 40
Média: de 13 a 25mm Grossa: acima de 25mm
Aplicações de maior responsabilidade, de maiores durezas e resistência a tração, para o que se pode usar inoculação ou elementos de liga em baixos teores: engrenagens, eixo de comando de válvulas, pequenos virabrequins, grandes blocos de motor, cabeçotes, buchas, bombas, compressores, rotores, válvulas, munhões, cilindros e anéis de locomotivas, bigornas, pistões hidráulicos, etc.
Fina: até 13mm 50
Média: de 13 a 25mm
Aplicações idênticas às da classe 40.
Grossa: acima de 25mm Fina: até 13mm 60
Média: de 13 a 25mm Grossa: acima de 25mm
É a classe de maior resistência mecânica, usando-se normalmente pequenos teores de Ni, Cr e Mo. Tambores de freio especiais, virabrequins, bielas, cabeçotes, corpos de máquina diesel, peças de bombas de alta pressão, carcaças de britadores, matrizes para forjar a quente, cilindros hidráulicos, etc.
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Tecnologia dos Materiais Especificações ASTM de ferro fundido nodular
Classe
Limite de Limite de resist. Alongamento escoamento a tração min. min. Em 2” min. Kg/mm2 % Kg/mm2
Condição
Aplicações
ASTM-A 339-55 80-60-03
56
42
3
Fundido
Uso geral
60-45-10
42
31,5
10
Geralmente recozido
Uso geral
ASTM-A 396-58 120-90-02
84
63
2
100-70-03
70
49
3
Tratado Para elevada termicamente resistência mecânica Idem
Idem
ASTM-A 395-56T 60-45-15
42
31,5
15
Recozido
60-40-18
42
28
18
Recozido
Equipamento pressurizado a temperaturas elevadas
Os números indicativos das classes referem-se aos valores:
• do limite de resistência a tração (em milhares de libras por polegada quadrada); • do limite de escoamento (em milhares de libras por polegada quadrada); • do alongamento em porcentagem de um corpo de prova de 2”. Denominação de ferro fundido segundo norma DIN 17006 GG – Ferro fundido cinzento Exemplo: GG-18
Ferro fundido cinzento com resistência a tração de 180N/mm 2
GGK
Ferro fundido cinzento em coquilha
GGZ
Ferro fundido cinzento centrifugado
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Tecnologia dos Materiais GH – Ferro fundido duro Exemplo: GH-25
Ferro fundido com uma camada de ferro fundido branco de 25mm e o núcleo
com
ferro fundido cinzento GH-95
Dureza shore de 95
Observação Numeração até 50 especifica a profundidade da camada dura em milímetros. Numeração acima de 50 especifica a dureza shore. GT – Ferro fundido maleável Exemplo: GTW-35 Ferro fundido maleável branco com resistência a tração de 340N/mm 2 GTS-35 Ferro fundido maleável preto com resistência a tração de 330N/mm 2
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Tecnologia dos Materiais
Símbolo
Resist. a tração N/mm2
Resist. a tração N/mm2
Densidade kg/dm3
Ferro fundido com grafite lamelar
GG-10
100
-
7.2
GG-20
200
350
Ferro fundido comum sem qualidade especial para uso geral.
GG-25
250
420
7.35
GG-35
340
530
Ferro fundido de alta qualidade para peças altamente solicitadas como por exemplo cilindros, êmbolos.
GG-40
390
590 Limite de alongamento 0,2%* N/mm2
Alongamen-to de ruptura ( l o = 5do) %
Ferro fundido nodular
Propriedades
Usinabilidade
GGG-40
400
250
15
Boa
GGG-50
500
320
7
Muito boa
GGG-60
600
380
3
Muito boa
GGG-70
700
440
2
boa
Alongamento de ruptura
Propriedades GGG tem propriedades semelhantes ao aço devido ao carbono em forma de grafite esferoidal.
Ferro fundido maleável Aplicação
( l o = 3do) GTW-40
390
215
5
GTW-55
540
355
5
GTS-45
440
295
7
Peças de parede fina de fundição tenaz por exemplo rodas, chaves, conexões.
*O alongamento de 0,2% de comprimento inicial l o é o usado para limite de elasticidade de materiais não dúcteis.
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Tecnologia dos Materiais Questionário – Resumo 1. Quais as substâncias que normalmente vêm agrupadas com os minérios de ferro ?
2. Defina ferro fundido ?
3. Quais são os tipos de ferro fundido? Cite as suas propriedades gerais.
4. Especifique FC-40 – GG-30 – GTS-40 – GGG-60 – FE4212.
5. Como é feita a fundição em areia ?
6. Quais os defeitos mais comuns em peças fundidas ?
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Tecnologia dos Materiais AÇO Objetivos Ao final desta unidade o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre:
• Processos de obtenção do aço. Saber Reproduzir conhecimentos sobre:
• Influência dos elementos de liga nas propriedades dos aços; • Processo de refinação e enriquecimento do aço; • Normalização conforme ABNT, SAE, AISI e DIN. Ser capaz de Aplicar conhecimentos para:
• Selecionar os aços em função de suas propriedades mecânicas; • Interpretar normas de identificação dos aços.
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Tecnologia dos Materiais Definição de aço É uma liga de ferro e carbono que contém no máximo 2,0% de carbono, além de certos elementos residuais resultantes dos processos de fabricação. Obtenção do aço O ferro gusa que sai do alto-forno tem alto teor de carbono (3 a 5%) e elevado teor de impurezas como enxofre, fósforo, manganês e silício. Para transformar o ferro gusa em aço, é necessário reduzir o seu teor de carbono (0 – 2,0%), manganês, silício e eliminar, ao máximo, o seu teor de fósforo e enxofre. Para tanto, existem vários processos. Processo Bessemer e Thomas-Bessemer O conversor Bessemer tem um revestimento de tijolos de sílica que não pode ser utilizado com ferro gusa rico em fósforo. O conversor Thomas-Bessemer, por sua vez, tem um revestimento de tijolos de dolomita rica em cal adequada para trabalhar com ferro gusa rico em fósforo. Em ambos os processos, Bessemer ou Thomas-Bessemer, reduz-se o teor de carbono do ferro gusa pela injeção de ar por orifícios que existem no fundo do conversor. O ferro gusa líquido procedente do misturador é vertido no conversor em posição horizontal, adicionando-se cal ou dolomita.
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Tecnologia dos Materiais
Processo Bessemer e Thomas-Bessemer
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Tecnologia dos Materiais Colocando-se o conversor na posição vertical, o ar enriquecido com oxigênio é soprado durante dez a vinte minutos. Durante esse tempo o oxigênio reage com o carbono, e o silício, o manganês e a cal reagem com o fósforo formando a escória. A escória do conversor Thomas-Bessemer é moída e utilizada como adubo por possuir alto teor de fósforo. Produtos do conversor Bessemer e Thomas-Bessemer
• Aço ao carbono não-ligados.
Conversor a oxigênio (LD) Nos conversores a oxigênio, é fabricada mais de 50% da produção mundial de aço. No Brasil, eles são também amplamente utilizados. A carga desse conversor é constituída de ferro gusa líquido, sucata de ferro, minério de ferro e aditivos (fundentes). Com uma lança refrigerada com água, injeta-se oxigênio puro a uma pressão de 4 a 12 bar no conversor.
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Tecnologia dos Materiais
Processo conversor a oxigênio (LD)
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Tecnologia dos Materiais A oxidação do carbono e dos acompanhantes do ferro libera grande quantidade de calor. Para neutralizar essa elevada temperatura que prejudicaria o refratário, adiciona-se sucata ou minério de ferro. Pela adição de fundentes como a cal, os acompanhantes do ferro como o manganês, silício, fósforo e enxofre unem-se formando a escória. Para aumentar a qualidade do aço, adicionam-se os elementos de liga no final ou quando o aço está sendo vertido na panela. Os aços produzidos no LD não contêm nitrogênio pois não se injeta ar, daí a alta qualidade obtida. Esse conversor oferece vantagens econômicas sobre os conversores Thomas-Bessemer e Siemens-Martin. Produtos do conversor a oxigênio (LD)
• Aços não-ligados • Aços para cementação • Aços de baixa liga Conversor Siemens-Martin O forno Siemens-Martin é um forno de câmara fixo. A carga do forno pode ser constituída de 70% de sucata de aço e o resto de ferro gusa e fundentes (cal) para formar a escória.
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Tecnologia dos Materiais
Representação esquemática de um forno Siemens-Martin
A temperatura de fusão é de 18000C, que se consegue pela queima de gás ou óleo. Os gases produzidos pela combustão saem do forno e passam, através de um empilhamento de tijolos, pela parte inferior do forno (recuperador) onde cedem calor dirigindo-se depois para a chaminé. A cada vinte minutos mais ou menos, o sentido dos gases é invertido de modo que o ar passe pelo recuperador que está aquecido. Produtos do conversor Siemens-Martin
• Aços carbono não-ligados • Aços de baixa liga • Aços-ferramenta que não exigem alta qualidade Forno elétrico Os aços finos, em particular os altamente ligados, são obtidos em fornos elétricos.
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Tecnologia dos Materiais Com o aço vindo do conversor a oxigênio ou Siemens-Martin e mais sucata selecionada alimenta-se o forno elétrico. Nesse forno, o aço é purificado e adicionam-se os elementos de liga desejados. Como a geração de calor se dá por uma corrente elétrica, não existe nenhuma chama de gás que desprenda enxofre. Existem dois tipos de fornos elétricos para a produção de aço:
• Forno de arco voltaico • Forno de indução O forno de arco voltaico tem dois ou três eletrodos de carvão. Ao ligar, a corrente elétrica salta em arco voltaico das barras de carvão passando pelo material a fundir. A temperatura obtida neste processo é da ordem de 3600 0C, o que torna possível fundir elementos de liga como o tungstênio (temperatura de fusão 3370 0C) ou molibdênio (temperatura de fusão 2600 0C).
Forno de arco voltaico
No forno de indução a corrente alternada passa por uma bobina situada ao redor de um cadinho, com isto se induzem correntes parasitas no material a fundir que aquecem o banho. Esse forno é empregado para fabricação de aços altamente ligados e de ferro fundido nodular.
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Tecnologia dos Materiais
Forno de indução
Solidificação do aço Os aços produzidos nos conversores são colocados em panelas e destas panelas são vertidos em moldes de fundição ou em lingoteiras onde se solidificam em forma de lingotes quadrados ou redondos.
Esses lingotes serão transformados em produtos semi-acabados por meio de prensagem, forjamento ou laminação em chapas, barras de perfil L, U, redondas, sextavadas, etc.
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Tecnologia dos Materiais O aço líquido dentro do molde começa a se solidificar das paredes para o centro da peça. Com o processo de solidificação, há a formação de gases devido a reações químicas, tais como decomposição da água em hidrogênio e oxigênio, reação do carbono com o óxido de ferro gerando ferro e gás carbônico. As bolhas de gás ascendentes originam um forte movimento do aço que ainda está líquido, com isto os gases, o fósforo, o enxofre, o silício são deslocados para o interior do bloco que irá se resfriar por último. A esse processo chamamos segregação.
Lingote com massalote
As acumulações de fósforo no aço produzem fragilidade (perigo de ruptura na conformação a frio). As acumulações de enxofre no aço ocasionam fragilidade a quente (perigo de ruptura na laminação ou no forjamento). Altos teores localizados de W, Ti, Mo produzem pontos duros que podem ocasionar a ruptura das peças. Aços fundidos acalmados Para evitar o acúmulo de gases no interior do aço, são adicionados alumínio, silício ou manganês ao se fundir ou vazar o aço. O oxigênio se une a esses elementos formando óxidos metálicos que não podem ser reduzidos pelo carbono (equação → 2FeO + Si + 2Fe + SiO2). Obtémse por meio desse processo um aço acalmado.
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Tecnologia dos Materiais O aço solidificado acalmado possui uma boa homogeneidade e , desta forma, diminui-se a segregação. Os aços de qualidade são sempre acalmados, pois caso contrário o oxigênio oxidaria os componentes da ligação.
Bolhas e cavidades em lingotes de aço
Tratamento a vácuo Os gases absorvidos pelo aço líquido são prejudiciais, por isso aços ligados de alta qualidade devem ser desgaseificados. Os óxidos (de ferro ou elementos de liga) tornam o aço quebradiço; o nitrogênio produz envelhecimento; o hidrogênio produz fortes tensões e pequenas trincas entre os cristais. Para desgaseificar o aço líquido se emprega o tratamento a vácuo. A figura seguinte mostra dois tipos desse tratamento.
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Tecnologia dos Materiais
Tratamento a vácuo
Os aços que passam por esse processo apresentam maior grau de pureza, o que resulta em maior tenacidade e melhor resistência à fadiga. Refusão elétrica sob escória Por esse processo, um bloco de aço ligado fundido em forno elétrico se torna um eletrodo e goteja através de uma escória, desembocando em uma coquilha de cobre refrigerada por água. A escória faz a vez de uma resistência elétrica, gerando calor necessário para a fusão, ao ser percorrida pela corrente elétrica.
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Tecnologia dos Materiais
Nessa escória, são retidas ao mesmo tempo as substâncias não desejadas e os gases dissolvidos no aço. Por esse processo, obtêm-se blocos (tarugos) de aço altamente ligados com uma textura uniforme sem segregação ou inclusões. Influência dos elementos de liga nos aços Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência possibilitaram à descoberta de aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos no aço carbono. Conseguiram-se assim aços-liga com características como resistência a tração e a corrosão, elasticidade, dureza, etc. bem melhores do que as dos aços ao carbono comuns.
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Tecnologia dos Materiais Influência dos elementos de liga nas propriedades do aço Elemento Carbono s i a t e m o ã N
Silício
C Resistência, dureza, temperabilidade
Abaixa Ponto de fusão, tenacidade, alongamento, soldabilidade e forjabilidade
Si Elasticidade, resistência a tração, Soldabilidade profundidade de têmpera, dureza a quente, resistência a corrosão, separação da grafite no ferro fundido
Fósforo
P
Fluidez, fragilidade a frio, resistência a quente
Alongamento, resistência a choque
Enxofre
S
Quebra de cavaco, viscosidade
Resistência a choque
Manganês
s i a t e M
Eleva
Mn Profundidade de têmpera, resistência a Facilidade de ser tração, resistência a choque, resistência a transformado (laminado, desgaste trefilado); separação da grafite no ferro fundido
Níquel
Ni Tenacidade, resistência a tração, resistência a corrosão, resistência elétrica, resistência a quente, profundidade de têmpera
Cromo
Cr Dureza, resistência a tração, resistência a Alongamento (em grau quente, temperatura de têmpera, reduzido) resistência a frio, resistência a desgaste, resistência a corrosão
Vanádio
V
Resistência a fadiga, dureza, tenacidade, resistência a quente
Dilatação térmica
Sensibilidade ao aparecimento de trincas por aquecimentos sucessivos
Molibdênio
Mo Dureza, resistência a quente, resistência a fadiga
Alongamento, forjabilidade
Cobalto
Co Dureza, capacidade de corte, resistência a quente
Tenacidade, sensibilidade ao aparecimento de trincas por aquecimentos sucessivos
Tungstênio
W Dureza, resistência a tração, resistência a Alongamento (em grau corrosão, temperatura de têmpera, reduzido) resistência a quente, resistência a desgaste
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Tecnologia dos Materiais Classificação dos aços Podemos classificar os aços segundo a sua aplicação em:
• Aços de construção em geral • Aços para tornos automáticos • Aços para cementação • Aços para beneficiamento • Aços para nitretação • Aços inoxidáveis • Aços para ferramentas - para trabalho a frio - para trabalho a quente - aços rápidos Aços de construção em geral Os aços de construção em geral são aços básicos não-ligados que são selecionados pela sua resistência a tração e pelo seu limite de elasticidade, ou são aços não-ligados de qualidade que devem satisfazer a exigências tais como forjabilidade e soldabilidade. Nesse último caso, são controlados os teores de carbono, fósforo e enxofre. As aplicações comuns desses aços são em construção de edifícios, pontes, depósitos, automóveis e máquinas.
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Tecnologia dos Materiais Norma DIN
Aços para torno automático São aços de qualidade não-ligados ou de baixa liga utilizados na fabricação de peças em tornos automáticos e devem desprender cavacos quebradiços e curtos. Esta propriedade (cavaco curto) obtém-se mediante um teor conveniente de enxofre. Os aços para tornos automáticos contêm: 0,07 a 0,65% de carbono, 0,18 a 0,4% de enxofre, 0,6 a 1,5% de manganês, 0,05 a 0,4% de silício e, quando se pede uma melhor fragilidade do cavaco e superfícies lisas, o aço deve conter, além dos elementos já citados, 0,15 a 0,3% de chumbo. Exemplos: 10 S 20 11 S Mn 28 11 S Mn Pb 28 35 S 20 ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
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Tecnologia dos Materiais Aços para cementação São aços com baixo teor de carbono (0,1 a 0,2%) que, por meio de um tratamento termoquímico, sofrem uma elevação de seu teor de carbono na superfície da peça a fim de aumentar a dureza superficial conservando o núcleo tenaz para resistir a choques. Trata-se de aços de qualidade não-ligados, aços finos ou aços finos ligados. Na superfície da peça endurecida por cementação alcança-se uma dureza de 59 HRC. Exemplos: C 10 CK 10 16 Mn Cr 5 17 Cr Ni Mo 6 Aços para beneficiamento São aços que, por meio de um tratamento térmico de beneficiamento (têmpera mais revenimento), consegue-se um aumento de resistência, dureza e tenacidade. Os aços para beneficiamento não-ligados possuem um teor de carbono acima de 0,3% e só se pode beneficiar uma camada delgada. Quando se deseja beneficiar uma camada mais espessa, empregam-se aços para beneficiamento ligados. As aplicações comuns desses aços são em: eixos, parafusos, engrenagens, molas. Exemplos: C 30 CK 60 42 Cr Mo 4 Aços para nitretação São aços que, pela introdução de nitrogênio por meio de tratamento termoquímico, aumenta-se a dureza superficial das peças (até 67 HRC).
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Tecnologia dos Materiais Esses aços contêm cromo, molibdênio e alumínio que favorecem a absorção do nitrogênio. As aplicações comuns desses aços são em: engrenagens, matrizes de trabalho a quente. Exemplos: 31 Cr Mo 12 34 Cr A l Ni 7 Aços inoxidáveis São aços que possuem um teor mínimo de 12% de cromo e se caracterizam pela sua grande estabilidade frente a substâncias agressivas (água, ar, gases, ácidos e bases). As aplicações comuns desses aços são na indústria química e na de alimentos e em aparelhos cirúrgicos, talheres, etc. Exemplos: X 3 Cr Ni 18 10 X 10 Cr Ni Mo Ti 18 12 X 5 Cr Ni 18 9 Aços para ferramentas São os que se empregam para trabalhar outros materiais com ou sem a remoção de cavacos. São subdivididos em:
• Aços para trabalho a frio • Aços para trabalho a quente • Aços rápidos Aços para trabalho a frio Destinam-se à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aço, ferro fundido e metais não-ferrosos.
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62
Tecnologia dos Materiais As principais propriedades destes aços são:
• Alta resistência a abrasão • Elevada resistência de corte • Alta tenacidade • Alta resistência a choque • Grande estabilidade dimensional As aplicações comuns desses aços são em facas e punções de corte, estampos de dobramento, estampagem, cunhagem, matrizes, trefilação, etc. Exemplos: X 210 Cr 12 X 210 Cr W 12 X 155 Cr V Mo 12 1 Aços para trabalho a quente São aços que se destinam à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a quente de materiais. Suas principais características são alta resistência a revenimento, elevada resistência mecânica a quente, boa tenacidade, grande resistência a abrasão em temperaturas elevadas, boa condutividade térmica, elevada resistência a fadiga e boa resistência à formação de trincas provocadas por aquecimento e resfriamentos sucessivos. As aplicações comuns desses aços são em matrizes de forjamento, matrizes para fundição de latão ou alumínio sob pressão, matrizes para extrusão a quente, etc. Exemplos: X 37 Cr Mo W 5 1 X 40 Cr Mo V 5 1 50 Ni Cr 13 ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
63
Tecnologia dos Materiais Aços rápidos São aços onde os elementos de liga formam carbonetos complexos que são duros e resistentes ao desgaste e a altas temperaturas. Norma DIN A seqüência dos componentes é sempre a mesma: W – Mo – V – Co Exemplo: S
-
↓ aço rápido
6
-
5
-
2
-
5
↓
↓
↓
↓
6% W
5% Mo
2% V
5% Co
São assim designados pela sua capacidade de usinar metais com velocidade de corte maiores do que as possíveis com aços ferramenta ao carbono. As aplicações comuns desses aços são em: bits, fresas, brocas especiais, machos, brochas. Normas ABNT – SAE – AISI A ABNT se baseou nos sistemas americanos SAE e AISI, resultando a norma NBR 6006. Aço é a liga composta de ferro (Fe) e carbono (C). Contém, ainda, pequenas porcentagens de manganês (Mn), silício (Si), enxofre (S) e fósforo (P), que são considerados elementos residuais do processo de obtenção. O elemento que exerce maior influência é o carbono e o seu teor nos aços ao carbono varia de 0,008 a 2% C aproximadamente. O aço é representado por um número como nos exemplos abaixo.
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Tecnologia dos Materiais Exemplos:
Os aços mais usados industrialmente possuem teores de carbono que variam entre 0,1 a 0,95%C, ou seja, aço 1010 a 1095. Acima de 0,95%C são considerados como aços ao carbono especiais. Para fins de aplicações industriais e de tratamentos térmicos, os aços ao carbono classificamse em:
• Aços de baixo teor de carbono
1010 a 1035
• Aços de médio teor de carbono
1040 a 1065
• Aços de alto teor de carbono
1070 a 1095
A tabela seguinte apresenta aços ao carbono para construção mecânica.
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Tecnologia dos Materiais Classificação ABNT dos aços ao carbono Designação
Carbono %
Manganês %
1006 A
0,08 max
0,25 – 0,40
1008 A
0,10max
0,25 – 0,50
1010 A
0,08 – 0,13
0,30 – 0,60
1015 A
0,13 – 0,18
0,30 – 0,60
1020 A
0,18 – 0,23
0,30 – 0,60
1025 A
0,22 – 0,28
0,30 – 0,60
1026 A
0,22 – 0,28
0,60 – 0,90
1030 A
0,28 – 0,34
0,60 – 0,90
1035 A
0,32 – 0,38
0,60 – 0,90
1038 A
0,35 – 0,42
0,60 – 0,90
1040 A
0,37 – 0,44
0,60 – 0,90
1041 A
0,36 – 0,44
1,35 – 1,65
1043 A
0,40 – 0,47
0,70 – 1,00
1045 A
0,43 – 0,50
0,60 – 0,90
1050 A
0,47 – 0,55
0,70 – 1,00
1060 A
0,55 – 0,66
0,60 – 0,90
1070 A
0,65 – 0,76
0,60 – 0,90
1080 A
0,75 – 0,88
0,60 – 0,90
1090 A
0,85 – 0,98
0,60 – 0,90
1095 A
0,90 – 1,03
0,30 – 0,50
A tabela seguinte apresenta a classificação dos aços-liga, segundo ABNT.
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
66
Tecnologia dos Materiais Classificação ABNT dos aços-liga Designação
C%
Mn %
Si %
Cr %
Ni %
Mo %
1340
0,38 – 0,43
1,60 – 1,90
0,20 – 0,35
4130
0,28 – 0,33
0,40 – 0,60
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
-
0,15 – 0,25
4135
0,33 – 0,38
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
-
0,15 – 0,25
4140
0,38 – 0,43
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
-
0,15 – 0,25
4320
0,17 – 0,22
0,45 – 0,65
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
1,65 – 2,00
0,20 – 0,30
4340
0,38 – 0,43
0,60 – 0,80
0,20 – 0,35
0,70 – 0,90
1,65 – 2,00
0,20 – 0,30
5115
0,13 – 0,18
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,70 – 0,90
-
-
5120
0,17 – 0,22
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,70 – 0,90
-
-
5130
0,28 – 0,33
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
-
-
5135
0,33 – 0,38
0,60 – 0,80
0,20 – 0,35
0,80 – 1,05
-
-
5140
0,38 – 0,43
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,70 – 0,90
-
-
5160
0,55 – 0,65
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,70 – 0,90
-
-
E52100
0,95 – 1,00
0,25 – 0,45
0,20 – 0,35
1,30 – 1,60
-
-
6150
0,48 – 0,53
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
-
8615
0,13 – 0,18
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
8620
0,18 – 0,23
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
8630
0,28 – 0,33
0,70 – 0,90
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
8640
0,38 – 0,43
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
8645
0,43 – 0,48
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
8650
0,40 – 0,53
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
8660
0,55 – 0,65
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,40 – 0,60
0,40 – 0,70
0,15 – 0,25
E9315
0,13 – 0,18
0,45 – 0,65
0,20 – 0,35
1,00 – 1,40
3,00 – 3,50
0,08 – 0,15
O tipo 6150 tem 0,15% de vanádio
A tabela seguinte apresenta as classes de aços com suas respectivas composições segundo normas SAE – AISI – ABNT:
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67
Tecnologia dos Materiais Sistema SAE e AISI de classificação dos aços Designação SAE AISI 10XX C 10XX 11XX C 11XX 13XX 13XX 23XX 23XX 25XX 25XX 31XX 31XX 33XX E 33XX 303XX 40XX 40XX 41XX 41XX 43XX
43XX
46XX 47XX
46XX 47XX
48XX 50XX 51XX 501XX 511XX 521XX 514XX 515XX 61XX
48XX 50XX 51XX E511XX E521XX 61XX
86XX
86XX
87XX
87XX
92XX
92XX
93XX
93XX
98XX
98XX
950 XXBXX XXBXX XXLXX CXXLXX
Tipo de aço Aços-carbono comuns Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S Aços-manganês com 1,75% de Mn Aços-níquel com 3,5% de Ni Aços-níquel com 5,0% de Ni Aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr Aços-níquel-cromo com 3,50% de Ni e 1,57% de Cr Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Ni-Cr Aços-molibdênio com 0,25% de Mo Aços-cromo-molibdênio com 0,50% ou 0,95% de Cr e 0,12%, 0,20% ou 0,25% de Mo Aços-níquel-cromo-molibdênio, com 1,82% de Ni, 0,50% ou 0,80% de Cr e 0,25% de Mo Aços-níquel-molibdênio com 1,57% ou 1,82% de Ni e 0,20 ou 0,25 de Mo Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de Mo Aços-níquel-molibdênio com 3,50% de Ni e 0,25% de Mo Aços-cromo com 0,27%, 0,40% ou 0,50% de Cr Aços-cromo com 0,80% a 1,05% de Cr Aços de baixo cromo para rolamentos, com 0,50% de Cr Aços de médio cromo para rolamentos, com 1,02% de Cr Aços de alto cromo para rolamentos, com 1,45% de Cr Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr Aços-cromo-vanádio com 0,80% ou 0,95% de Cr e 0,10% ou 0,15% de V (min.) Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,50% ou 0,65% de Cr e 0,20% de Mo Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,50% de Cr e 0,25% de Mo Aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn, 1,40 ou 2,00% de Si e 0%, 0,17%, 0,32% ou 0,65% de Cr Aços-níquel-cromo-molibdênio com 3,25% de Ni, 1,20% de Cr e 0,12% de Mo Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,00% de Ni, 0,80% de Cr e 0,25% de Mo Aços de baixo teor em liga e alta resistência Aços-boro com 0,0005% de B min. Aços-chumbo com 0,15% - 0,35% de Pb
Exemplo de utilização da tabela:
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68
Tecnologia dos Materiais Observações: Letras adicionais na nomenclatura do aço têm os seguintes significados: B...
Aço obtido pelo processo Bessemer.
C...
Aço obtido em forno Siemens-Martin.
E...
Aço obtido em forno elétrico.
X...
Análise fora da norma.
TS...
Norma estabelecida para prova.
..B..
Aço contendo, no mínimo, 0,0005% boro.
LC..
Aço com baixo teor de carbono C máx de 0,03%C.
F...
Aço de cavaco curto para tornos automáticos.
..L..
Indica presença de chumbo (0,15% a 0,35% Pb).
Exemplos: B1113 C1145 E3310 46 B 12 12 L 14 Normalização dos aços conforme norma DIN 17006 A norma DIN 17006 divide os aços em três tipos:
• Aço sem ligas • Aço com baixa liga (elementos de ligas 5%) • Aço com alta liga (elementos de ligas 5%)
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69
Tecnologia dos Materiais Designação e normalização dos aços sem ligas Aços de baixa qualidade: são tipos de aços de baixa pureza, sem ligas e que não podem ser tratados termicamente. São designados através das letras St (aço) e da resistência mínima a ruptura. Aços ao carbono: têm melhor pureza, podem ser tratados termicamente. São designados através da letra C (carbono) e da porcentagem do carbono. Para caracterizar a diferença dos aços finos não-ligados, além da letra C colocam-se letras com os seguintes significados: K-Aço fino com teor de enxofre mais fósforo menor do que 0,01% f -Aço para têmpera a chama e por indução q -Aço para cementação e beneficiamento, adequado para deformação a frio. Normalização Aços de baixa qualidade
Exercício:
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70
Tecnologia dos Materiais Aços ao carbono
Exercícios:
Designação e normalização dos aços com baixa liga São aços que possuem no máximo até 5% de teor de ligas. Para designar o teor dos elementos de liga, os números na norma devem ser divididos pelos fatores correspondentes ao elemento químico. Os fatores são apresentados na tabela a seguir.
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71
Tecnologia dos Materiais Fatores para elementos de liga Fator 4
Fator 10
Fator 100
Cobalto Co
Alumínio Al
Carbono C
Cr
Mo
P
Mn
Ti
S
Ni
Vanádio V
N
Si Tungstênio W
A norma se compõe dos seguintes elementos:
• Não se coloca a letra C para o carbono. • As outras letras definem os elementos de liga. • Os números divididos pelos fatores definem o teor dos elementos e são colocados na mesma seqüência, como as letras. Aços com baixa liga
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72
Tecnologia dos Materiais Exercício: 16 Mn Cr 5 17 Cr Ni Mo 6
Designação e normalização dos aços com alta liga São aços com um teor de liga acima de 5%. Para designá-los, coloca-se um X em frente do teor de carbono. Todos os elementos, exceto o carbono, têm o fator 1, ou seja, os números apresentam o valor de teor real. Aços rápidos para ferramentas são designados da seguinte forma: S6–5–2–5 Coloca-se S (aço rápido) no início e os teores das ligas. O teor de carbono só pode ser determinado através da especificação do produtor. Aços com alta liga
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73
Tecnologia dos Materiais
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
74
Tecnologia dos Materiais Designação completa segundo a norma DIN A normalização compõe-se de três partes:
Obtenção
Composição
Tratamento
E
C35
V70
Forno elétrico
Aço de carbono
Beneficiado até
de 0,35% de C
uma resistência
Exemplo:
de 700N/mm2
Significado das letras
Da obtenção
Da composição
Do tratamento
A – resistente ao
Ag – prata
A – recozido
envelhecimento
Al – alumínio As – arsênico
B – forno Bessemer
C
B – boro
B – não se pode melhorar as
Be – berílio
características mecânicas
Bi – bismuto
por trabalho a frio
C – carbono Ce – cério Co – cobalto Cr – cromo Cu – cobre
E – forno elétrico
E
E – endurecido por cementação
EB – forno elétrico básico F – forno de reverbero
Fe – ferro F – temperado com chama ou
F – resistência a tração em kp/mm2
por indução
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75
Tecnologia dos Materiais Significado das letras (continua) Da obtenção
Da composição
Do tratamento
G
G
G – recozido
– fundido
GG – ferro fundido com
g – liso
grafite em lâminas GGG – ferro fundido com grafite em bolas (nodular) GH – ferro fundido duro GS – aço fundido GTW – fundido maleável branco GTS – fundido maleável preto GTP – fundido maleável perlítico GGK – fundido em coquilha GSZ – aço fundido centrifugado H – fundido semi-acalmado
H – chapas sem liga para caldeiras
H – temperado HF – temperado por chama HJ – temperado por indução
J – forno elétrico de indução
J
J
K
K – baixo teor de fósforo e
K – deformado a frio
enxofre L – metal para solda ou
Li – lítio
L
LE – forno elétrico de arco M – forno Siemens-Martin
Mg – magnésio
M – superfície fosca
MB – forno Siemens-Martin
Mn – manganês
resistente a formação de trincas em solução alcalina
básico
Mo - molibdênio
MY – forno Siemens-Martin ácido
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76
Tecnologia dos Materiais Significado das letras (continua) Da obtenção
Da composição
Do tratamento
N
N – nitrogênio
N – normalizado
Nb – nióbio
NT – nitretato
Ni – níquel P – soldável por pressão
P – fósforo
P
Pb – chumbo Q – deformado a frio
Q – indicada para deformação
Q
a frio R – acalmado
R
R – superfície áspera
S – enxofre
S – recozido
Sb – antimônio
SH – descascado
RR – especialmente acalmado S – soldável por fusão
Si – silício Sn – estanho St – aço sem dados químicos T – forno Thomas
Ta – tântalo
T
Ti – titânio U – fundido sem acalmar
U
U – superfície laminada ou forjada
V
V – vanádio
V – beneficiada
W – aço afinado com ar
W – tungstênio
W – aço para ferramentas sem liga
X
X – em aços de alta liga
X
multiplicar por 1 Y – aço soprado com oxigênio
Y
Y
Zn – zinco
Z
forno LD Z – trefilado em barras
Zr - zircônio
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77
Tecnologia dos Materiais A figura seguinte ilustra os principais meios de obter ferro fundido e aço:
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78
Tecnologia dos Materiais Questionário-Resumo 1. Qual a definição de aço ?
2. Qual a classe, porcentagem de elementos de liga do aço ABNT 1045 ?
3. Quais os efeitos conseguidos com os aços-liga ou especiais?
4. Qual a identificação numérica dos aços ao molibdênio?
5. Qual a classe, porcentagem de elementos de liga e porcentagem de carbono do aço AISI 2515 ?
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
79
Tecnologia dos Materiais 6. Quais os elementos de liga e suas respectivas porcentagens do aço ABNT 8615 ?
7. Qual o tipo de aço segundo as normas SAE521XX e AISI E521XX ?
8. O que especifica a norma DIN 17006 ?
9. Qual o teor dos elementos de liga dos aços 17CrNiMo6, X5CrNiMo1813 e S12-1-4-5 ?
10. Na designação GTS70, qual o material e de quanto é sua resistência a ruptura ?
11. Qual a forma de obtenção, composição e tratamento posterior do aço GS17CrMoV 5 11 N segundo a norma DIN 17006 ?
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80
Tecnologia dos Materiais COMPORTAMENTO DAS LIGAS EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO Objetivos Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre:
• Tipos das ligas metálicas com cristais mistos, mistura de cristais e combinações intercristalinas. Saber Reproduzir conhecimentos sobre:
• Curvas características da liquefação e solidificação de metais puros; • Pontos críticos de transformação (sólido, líquido , ponto de parada); • Curvas características de liquefação e solidificação de ligas típicas em função da composição no diagrama Cu-Ni e Sn-Pb;
• Influência dos elementos de liga no tempo de transformação. Ser capaz de Aplicar conhecimentos para:
• Interpretar diagramas para ligas com dois componentes; • Transferir conhecimentos na interpretação do diagrama ferro-carbono.
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81
Tecnologia dos Materiais Introdução à liquefação e solidificação dos metais Toda matéria possui três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Fundamentalmente o que diferencia um estado do outro é o grau de agregação dos átomos. O sólido é um estado no qual os átomos estão fortemente ligados, já no estado líquido essa ligação não é tão forte e, no estado gasoso, essa ligação não existe.
A mudança de estados da matéria ocorre com ganho ou perda de energia (calor). Para o estudo dos metais, o estado gasoso é pouco importante, portanto, trataremos apenas das fases sólida e líquida. Ao fornecermos calor a um material sólido, sua fusão ocorre em duas fases bem distintas:
• Ao receber energia, os átomos aumentam sua vibração. Isso se traduz fisicamente em um aumento de temperatura do corpo, até o ponto de sua temperatura de fusão. Nesta altura os átomos ainda estão fortemente ligados.
• Uma vez atingido o ponto de fusão, inicia-se o enfraquecimento das ligações entre os átomos. Isso ocorre através do calor fornecido ao material. O calor não mais servirá para aumentar as vibrações dos átomos, mas sim para enfraquecer as suas ligações, não haverá aumento em sua temperatura até que todas as ligações sejam enfraquecidas, tornando-se líquido o material.
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
82
Tecnologia dos Materiais Ao calor necessário para aumentar o estado de vibração dos átomos (aumentar a temperatura) chamamos de calor sensível. Já o calor necessário para enfraquecer (ou destruir completamente, no caso de vaporização) as ligações atômicas é chamado calor latente. Vamos usar o zinco para exemplificar esse processo. No diagrama seguinte, coloca-se na coordenada vertical a temperatura (em
0
C) e na
coordenada horizontal, o tempo (em segundos).
Liquefação e solidificação do Zn
No aquecimento contínuo, a temperatura aumenta em função do tempo. Quando chegar ao ponto de sólido (419 0C), o metal começa a se liquefazer. Apesar da mesma quantidade de calor recebida, a temperatura permanece constante, isso porque todo o calor é gasto pela mudança do estado de agregação. Esta zona horizontal é chamada ponto de parada. A temperatura voltará a aumentar somente quando todo o metal estiver liquefeito. Embaixo do ponto sólido, o estado de agregação é sólido, acima do ponto de líquido, passa a ser líquido. ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
83
Tecnologia dos Materiais Na zona dos pontos de parada, o estado de agregação é líquido ou sólido. No processo de resfriamento a seqüência ocorre na ordem inversa. Ligas metálicas Antes de falarmos sobre ligas metálicas, é importante definir o que vem a ser uma solução sólida. Dá-se o nome de solução a uma mistura na qual não se consegue distinguir os seus diversos componentes.
Cada um dos componentes possíveis de serem distinguidos será chamado fase.
Uma solução que se encontra em estado sólido é chamada solução sólida.
Esquema de estrutura bifásica. Uma fase é ferro puro (ferrita) e a outra cementita.
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
84
Tecnologia dos Materiais Exemplo: nos aços temos uma solução sólida de Fe e C. Essa solução é chamada cementita. - Ligas metálicas são misturas, em solução, de dois ou mais metais: Exemplo: Cu – Ni Cu – Zn (latão) Cu – Sn (bronze) Fe – C (aço) Praticamente, todos os metais utilizados na indústria não são puros, mas sim ligas de uma ou mais fases. Composição de ligas metálicas Os diferentes elementos que compõem uma liga metálica são chamados componentes. Observe os exemplos seguintes.
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
85
Tecnologia dos Materiais
Liquefação e solidificação da ligas Solução sólida ou cristal misto No processo de solidificação de uma liga de dois metais, que formam cristais mistos, a transformação do estado líquido para o estado sólido não se faz no ponto de parada, mas durante um intervalo de solidificação. No ponto líquido começam a se formar os primeiros cristais mistos. A formação e o crescimento desses cristais continuam até o ponto sólido. Em temperaturas abaixo do ponto sólido, a liga está totalmente no estado sólido. ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
86
Tecnologia dos Materiais
Os componentes de uma liga têm diferentes pontos líquidos e necessitam de diferentes quantidades de calor para a sua solidificação, portanto se variarmos as porcentagens dos elementos de ligas, variarão as temperaturas dos pontos líquidos e dos pontos sólidos. Unindo todas as temperaturas de ponto líquido e todas as temperaturas de ponto sólido, obtemos o diagrama de fases.
Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos)
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87
Tecnologia dos Materiais Interpretação do diagrama de fases Exemplo: para uma liga de 20% Ni e 80% Cu.
• A linha horizontal mostra a composição (em %). Quando temos 20% Ni, automaticamente teremos 80% Cu.
• Para cada composição temos uma temperatura inicial e uma final de solidificação. • Para a liga com 80% Cu – 20% Ni, a solidificação inicia-se no ponto B e termina no ponto D, abaixo do qual a liga está totalmente sólida.
• Acima do ponto B a liga está totalmente líquida. • Para cada composição, temos então dois pontos que geram duas linhas, dividindo o diagrama em três partes.
• Para resfriamento, a linha chamada líquidus indica, para cada composição, a temperatura em que se inicia a solidificação e a sólidus, onde termina.
ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”
88
Tecnologia dos Materiais • Cada região do diagrama indica fases. Acima da linha líquidus, fase totalmente líquida, abaixo da linha sólidus – fase totalmente sólida, e, entre as duas, temos o intervalo de solidificação, onde estão presentes duas fases, sólida e líquida.
• Seguindo a linha ABCDE (figura anterior), traçada no diagrama, teremos para a liga 80 Cu – 20 Ni o que está descrito na tabela a seguir. Ponto
No de fases
Tipo da fase
presentes
Interpretação da liga
A
1
líquida
totalmente líquido
B
1
líquida
inicia-se solidificação
C
2
líquida e sólida
líquido – sólido
D
1
sólida
final de solidificação
E
1
sólida
totalmente sólido
Mistura de cristais No processo de solidificação de uma liga de dois elementos que formam uma mistura de cristais, temos uma concentração definida, onde a curva de resfriamento dessa mistura é igual à curva de resfriamento de um metal puro.
Curva de resfriamento do eutético
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89
Tecnologia dos Materiais A liga com essa concentração tem o ponto líquido mais baixo que todas as outras concentrações e é chamada de liga eutética.
Temperatura de fusão
Temperatura de fusão do eutético
96%
15350C
12000C
4%
38400C
Cobre
55%
10830C
Prata
45%
9610C
Alumínio
Alumínio
88%
6600C
fundido por
Silício
12%
14140C
Chumbo
87%
3270C
Antimônio 13%
6300C
Componentes Ferro fundido
Ferro Carbono
Solda prata
6200C 5770C
pressão Chumbo duro
2510C
Na solidificação de uma liga que tem composição diferente da composição eutética, o elemento que está em maior proporção que a liga eutética começa a se solidificar até que a fase líquida atinja a composição eutética, ocorre então a solidificação da fase eutética em uma única temperatura.
Curva de resfriamento de concentração diferente do eutético
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90
Tecnologia dos Materiais Diagrama de fases de um sistema que forma mistura de cristais Na figura abaixo vemos o diagrama de fases Pb – Sn que forma uma mistura de cristais. A forma de obter este diagrama é análoga à do diagrama de fases de cristais mistos vista na figura “Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu-Ni (cristais mistos)”.
Combinações intermetálicas A curva de resfriamento de uma combinação intermetálica corresponde à curva de um metal puro e será estudada no diagrama Fe-C, na unidade 5.
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Tecnologia dos Materiais Questionário – Resumo 1. Comente o diagrama de liquefação e solidificação do Zn, considerando: T(C), t(s), ponto de sólido, ponto de parada, ponto de líquido, curvas (resfriar e aquecer).
2. Explique por que no ponto de parada a temperatura é constante em um intervalo de tempo definido.
3. Descreva um processo de solidificação de uma liga de dois metais que formam cristais mistos.
4. Consulte o diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos) e diga em quais porcentagens de Cu – Ni o intervalo de solidificação é maior.
5. O que é uma liga ?
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Tecnologia dos Materiais 6. Explique os tipos de ligas e cite exemplos.
7. Defina o que significa eutético, usando o diagrama de fases para o sistema Sn – Pb.
8. Consulte a tabela de ligas eutéticas e cite os componentes, a temperatura de fusão e a temperatura eutética.
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Tecnologia dos Materiais DIAGRAMA FERRO-CARBONO Objetivos Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre:
• Diagrama de resfriamento do ferro puro; • Pontos característicos de temperatura, transformações e estrutura das fases. Saber Reproduzir conhecimentos sobre:
• Transformações estruturais das ligas ferro-carbono na solidificação; • Diagrama ferro-carbono para aço com as variáveis: carbono, temperatura, linhas e zonas; • Componentes estruturais nas zonas do diagrama ferro-carbono para aço; • Classificação dos aços em função da porcentagem de carbono (eutetóide, hipo e hipereutetóide). Ser capaz de
• Descrever e interpretar o diagrama ferro-carbono simplificado; • Determinar as zonas e temperaturas de transformação, sistemas estruturais e constituintes para aços com diferentes teores de carbono.
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Tecnologia dos Materiais Liquefação e solidificação do ferro puro Da mesma forma como foram apresentados os metais na unidade anterior, podemos apresentar a curva de solidificação (liquefação) do ferro puro, como mostra o gráfico seguinte.
Solidificação do ferro puro
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Tecnologia dos Materiais Existem quatro pontos de parada:
• A 1536 0C o ferro puro se solidifica em rede cúbica de corpo centrado (c.c.c.), chamada ferro δ (delta) e assim permanece até 1 392 0C.
• A 1 3920C o ferro muda de estrutura para a estrutura cúbica de face centrada (c.f.c.) chamada ferro γ (gama) ou austenita.
• Abaixo de 9110C o ferro muda de estrutura novamente para a cúbica de corpo centrado (c.c.c.) chamada ferro α (alfa).
• Abaixo de 7690C o ferro é magnético. Isso ocorre devido a um rearranjo dos elétrons de cada átomo. A distância entre os átomos na estrutura c.f.c. é maior do que na estrutura de c.c.c., portanto nesse estado 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, o mais comum é estar ligado com o carbono. Em função da adição de carbono no ferro puro, as temperaturas de transformação irão se alterar conforme veremos a seguir. Diagrama ferro-carbono O diagrama ferro-carbono pode ser dividido em três partes:
de 0 a 0,05%C - ferro puro
de 0,05 a 2,06%C - aço
de 2,06 a 6,7%C - ferro fundido
Construção do diagrama ferro-carbono O diagrama ferro-carbono é fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre na têmpera, no recozimento e nos demais tratamentos térmicos.
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Tecnologia dos Materiais Para melhor entendermos o diagrama completo, que será visto no fim da unidade, façamos uma série de experiências com seis corpos de provas conforme tabela seguinte. Corpo de prova
Teor de carbono (%)
1
0,2
2
0,4
3
0,6
4
0,86
5
1,2
6
1,4
Aquecemos os corpos de prova com aplicação constante de calor e medimos em intervalos regulares (cada cinco minutos) a temperatura dos corpos de prova. Já sabemos que a característica da curva é semelhante à das outras ligas. No corpo de prova n o 1 com 0,2% de C, observamos que há uma variação na velocidade da elevação da temperatura a 723 0C (Ac1) e a 8600C (Ac3) - que chamamos de ponto de parada.
Determinando as temperaturas Ac 1 e Ac3 ou Accm dos outros corpos de prova, conforme figuras abaixo, poderemos construir parte do diagrama ferro-carbono simplificado, unindo todas as temperaturas Ac 1 e todas as temperaturas Ac 3, conforme veremos no exercício a seguir.
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Tecnologia dos Materiais Exercício 1. Com base na tabela abaixo, construa o diagrama Fe – C simplificado (figura abaixo): a)
Coloque no gráfico todos os pontos de parada.
b)
Trace uma linha ligando todos os pontos Ac 1.
c)
Trace outra linha ligando todos os pontos Ac 3 e Accm.
Observação: O diagrama Fe - C completo pode ser visto na figura “Diagrama ferro-carbono completo”.
Temperatura Corpo de prova
Ac1 0
C
Ac3 ou Accm 0
C
1
723
AC3 = 860
2
723
AC3 = 820
3
723
AC3 = 775
4
723
..........
5
723
ACcm = 890
6
723
ACcm = 990
Pontos de parada dos corpos de prova
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Diagrama ferro-carbono (simplificado)
Estrutura do aço no resfriamento lento O diagrama de fases encontrado na figura anterior corresponde ao diagrama de uma mistura de cristais como já foi visto na unidade Comportamento das ligas em função da temperatura e composição (diagrama de fases Pb - Sn) com a diferença que para o sistema Pb - Sn a transformação era líquido-sólido e neste diagrama (Fe - C) ocorre uma transformação de estrutura dentro do estado sólido. A presença do carbono faz com que o ferro mude de estrutura cúbica de face centrada (austenita) para cúbica de corpo centrado (ferrita) a uma temperatura diferente de 911 0C. Essa temperatura varia em função do teor de carbono no ferro e é representada no gráfico, a seguir, pela linha G - S - E .
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Acima da linha G - S - E há uma solução com uma única fase: o ferro γ + C = austenita.
Estrutura austenítica
Abaixo da linha G - S - E o ferro começa a mudar de estrutura, de cúbica de face centrada (ferro γ) para cúbica de corpo centrado (ferro α). Como o ferro α não consegue dissolver todo o carbono, forma-se uma segunda fase que é a cementita (Fe3C) que contém 6,67% de C.
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Estrutura da cementita Fe 3C
Abaixo da linha P - K, vamos ter uma solução sólida com duas fases - ferro α + cementita. Agora vamos estudar novamente os corpos de prova. Começamos com o corpo de prova nº 4 com 0,86% de carbono.
Aço eutetóide – 0,86% de C
Aço eutetóide Este aço quando está acima de 723 0C tem uma estrutura cúbica de face centrada (austenita) e todo o carbono está dissolvido nela. Abaixo de 7230C o ferro muda de estrutura para cúbica de corpo centrado (ferrita). A ferrita não consegue dissolver o carbono e por isso forma-se uma estrutura mista constituída de lâminas de ferrita (ferro puro) e lâminas de cementita (Fe 3C). A essa estrutura dá-se o nome de perlita.
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Micrografia de um aço eutetóide mostrando a estrutura de perlita.
O aço com 0,86% de carbono tem uma única temperatura de transformação e por isso ele é chamado também de aço eutetóide. A figura anterior mostra um aço eutetóide visto ao microscópio, observa-se que 100% da estrutura é perlita. Vamos agora estudar o corpo de prova n o 3 com 0,6% de carbono. Aço hipoeutetóide O diagrama da figura abaixo indica que acima da linha G - S o aço apresenta-se com a estrutura do ferro γ ou austenita.
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Abaixo da linha G - S, tem início a transformação do ferro γ (austenita) em ferro α (ferrita). Como a ferrita não contém carbono, a austenita que ainda não se transformou, vai se enriquecendo de carbono. Quando o aço atinge a temperatura de 723 0C (linha P - S) a austenita que ainda não se transformou, transforma-se em perlita. Na figura abaixo observamos a estrutura de um aço hipoeutetóide (carbono entre 0,05% até 0,86%), constituído de ferrita (parte clara) e perlita (partes com lamelas).
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Micrografia de um aço hipoeutetóide com estrutura de ferrita e perlita.
Agora vamos estudar o corpo de prova no 5 com 1,2% de carbono. Aço hipereutetóide Os aços com teor de carbono acima de 0,86% até 2,06% são denominados aços hipereutetóides. O diagrama da figura, a seguir, indica que acima da linha S - E o aço apresenta-se com a estrutura de ferro γ (austenita).
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Abaixo da linha S - E, a austenita já não consegue dissolver todo o carbono e por isso começa a se formar cementita (Fe 3C) que contém 6,7% de carbono. Essa cementita vai se localizar nos contornos dos grãos de austenita. A austenita por sua vez vai se empobrecendo de carbono. Ao atingir 7230C no resfriamento, tem-se cementita (Fe 3C) e austenita com 0,86%C. Ao abaixar mais a temperatura, essa austenita se transforma em perlita (lamelas de ferrita + cementita). Na figura seguinte vemos um aço hipereutetóide onde observamos a perlita e a cementita (parte clara) nos contornos dos grãos.
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Micrografia de um aço hipereutetóide com estrutura de perlita e cementita.
O diagrama de equilíbrio ferro-carbono Na figura seguinte apresentamos o diagrama de equilíbrio Fe - C completo.
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Diagrama ferro-carbono completo
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Tecnologia dos Materiais Exercícios 1. A figura seguinte mostra as várias regiões do diagrama Fe - C pelas quais passa um aço com 0,4%C ao ser resfriado.
Complete o quadro, a seguir, informando: a) Qual o estado físico?
b) Quais as fases presentes ?
c) Comente qual é a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.
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Tecnologia dos Materiais Ponto
Temperatura aproximada
Estado físico
Fases presentes
Comentários
A
> 1 5000C
líquido
líquida
Todo o C dissolvido
B
15000C
C
14500C
D
14300C
E
10000C
F
8000C
G
7600C
H
7230C (T. crítica)
I
< 7230C
2. A figura seguinte mostra as várias regiões do diagrama Fe - C pelas quais passa um aço 0,9%C ao ser resfriado.
Complete o quadro, a seguir, informando:
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Tecnologia dos Materiais a) Qual o estado físico? b) Quais as fases presentes? c) Comente qual a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.
Ponto
Temperatura aproximada
Estado físico
Fases presentes
Comentários
A
> 1 6000C
líquido
líquida
Todo o C dissolvido no Fe
B
1 4800C
C
1 4500C
D
1 3500C
E
1 0000C
F
7800C
G
7500C
H
7230C
I
<7230C
Considerações gerais Tudo o que foi dito com relação ao resfriamento vale também para o aquecimento. A condição para que essas transformações de estrutura ocorram é a baixa velocidade de resfriamento. Se resfriarmos um aço rapidamente, outras estruturas diferentes das descritas no diagrama Fe - C se formarão. Esse é o princípio dos Tratamentos térmicos, que veremos na próxima unidade. Resumo Ferrita
• Ferro na forma cúbica de corpo centrado. • carbono é insolúvel na ferrita. • É mole e dúctil.
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Tecnologia dos Materiais Cementita
• Carbeto de ferro – a composição da cementita corresponde à fórmula Fe 3C. Isso corresponde a um teor de carbono de 6,67%.
• É muito dura. Perlita
• É uma combinação de ferrita e cementita. • Possui um teor médio de carbono de 0,86%. Austenita
• Ferro na forma cúbica de face centrada. • Consegue dissolver até 2% de carbono. Questionário - resumo 1. Qual é a nomenclatura dos aços em função do teor de carbono ?
2. Descreva e comente a composição da ferrita e da perlita.
3. Qual a composição estrutural de um aço com 0,45% de carbono, esfriado lentamente até a temperatura ambiente?
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Tecnologia dos Materiais 4. Qual a composição de um aço com 1,2% de carbono, esfriado lentamente até a temperatura ambiente?
5. Faça um comentário a respeito de estrutura austenítica.
6. Descreva as estruturas cristalinas do ferro puro, designado a temperatura de transformação.
7. Descreva as transformações da estrutura do aço no aquecimento em função do carbono.
8. Denomine a estrutura dos aços abaixo em função da temperatura. Consulte o diagrama ferro-carbono. a) 0,3%C - a 8100C b) 0,86%C - a 7230C c) 1,4%C - a 5600C d) 1,7%C – a 9000C
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Tecnologia dos Materiais TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre: •
Diferentes tipos de tratamentos térmicos e termoquímicos;
•
Leitura da curva;
•
Mecanismo da difusão;
•
Tratamentos térmicos dos aços ligados.
Saber Reproduzir conhecimentos sobre: •
Transformação da estrutura e estrutura resultante após a têmpera;
•
Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos;
•
Temperaturas aplicadas nos diferentes processos de tratamento térmico;
•
Aplicação dos processos em função do teor de carbono do aço;
•
Efeitos dos processos do material.
Ser capaz de Aplicar conhecimentos para: •
Indicar e selecionar o processo de tratamento térmico adequado para a produção;
•
Interpretar tabelas e diagramas.
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Tecnologia dos Materiais Introdução Os tratamentos térmicos consistem de aquecimento, tempo de permanência a determinada temperatura e resfriamento. A estrutura de aço estudada na unidade anterior, no diagrama Fe - C só é obtida se o resfriamento for bem lento. Se o resfriamento for mais rápido, obtêm-se outras estruturas que estudaremos nesta unidade. Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos Velocidade de aquecimento A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de tensões do aço.
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Tecnologia dos Materiais Como tendência geral o aquecimento muito lento provoca um crescimento excessivo dos grãos tornando o aço frágil. Entretanto, um aquecimento muito rápido em aços ligados ou em aços com tensões internas (provocadas por fundição, forjamento, etc.) poderá provocar deformações ou trincas. Temperatura de aquecimento A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as modificações estruturais desejadas. Se ela for inferior a essa temperatura, as modificações estruturais não ocorrerão; se for superior, ocorrerá um crescimento dos grãos que tornará o aço frágil. Tempo de permanência na mesma temperatura O tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme em toda a secção, e os átomos de carbono se solubilizem totalmente. Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável crescimento dos grãos. Resfriamento As estruturas formadas no diagrama de equilíbrio Fe – C só vão se formar se o resfriamento for muito lento.
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Tecnologia dos Materiais
Diagrama Fe – C
Para a austenita se transformar em ferrita, cementita e perlita não há só a necessidade de o ferro mudar de reticulado cristalino mas também envolve a movimentação dos átomos de carbono, através da austenita sólida, e isso leva algum tempo. A austenita possui um reticulado cúbico de face centrada (c.f.c.) e consegue dissolver o carbono; já na ferrita (cúbico de corpo centrado – c.c.c.) o carbono é praticamente insolúvel. Quando resfriamos rapidamente um aço ele se transforma de c.f.c. para c.c.c. e o carbono permanece em solução. Isso cria uma estrutura deformada, supersaturada de carbono que recebe o nome de martensita que é tetragonal e não cúbica.
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Devido a essas microtensões criadas no reticulado cristalino pelo carbono é que a martensita é dura, resistente e não dúctil.
Efeito do teor de carbono sobre a dureza de martensita
Nos tratamentos térmicos, variando as velocidades de resfriamento, obtemos diferentes estruturas e com isso obtemos diferentes dureza, resistência a tração, fragilidade, etc. Com o auxílio do diagrama de transformação isotérmica também chamado de curva T.T.T. (tempo, temperatura, transformação), poderemos entender melhor os fenômenos que ocorrem quando o aço é resfriado a diferentes velocidades de resfriamento.
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Tecnologia dos Materiais Curvas de velocidade de resfriamento
A austenita E ferrita P perlita B bainita M martensita
D dureza em HRC
Curva T.T.T. A figura anterior mostra a curva T.T.T. do aço 43 MnCr6. Se esfriarmos esse aço lentamente, com a velocidade de esfriamento da curva V, obtém-se uma estrutura com 15% de ferrita e 85% de perlita, que terá uma dureza de 22 rockwell C. Se aumentarmos a velocidade de resfriamento, obtém-se uma estrutura mais fina e com maior dureza (curva IV).
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Tecnologia dos Materiais Se resfriarmos como na curva II, obtém-se a estrutura de bainita que é uma estrutura intermediária intermediária entre a martensita e a perlita, isto é, é cementita dispersa em ferrita. Com a velocidade de resfriamento da curva I, obtém-se uma estrutura de 100% de martensita que terá uma dureza máxima para esse aço (61HRC). Essa velocidade é chamada de velocidade crítica. Os meios de resfriamento são os responsáveis pelas diferentes velocidades de resfriamento. O quadro seguinte apresenta em ordem decrescente de velocidade alguns meios de resfriamento. Meios de resfriamento Solução aquosa a 10% NaOH Solução aquosa a 10% NaCl Solução aquosa a 10% Na 2CO3 Água 00C Água a 180C Água a 250C Óleo Água a 500C Tetracloreto de carbono Água a 750C Água a 1000C Ar líquido Ar Vácuo
Os elementos de liga no aço, de uma forma geral, diminuem a velocidade crítica de resfriamento para a formação da martensita.
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Tecnologia dos Materiais
Em linha cheia vê-se o diagrama T.T.T. de um aço 1050 comum. Em linha tracejada pode-se observar a influência da adição de 0,25% molibdênio sobre o mesmo aço.
Portanto, o meio de resfriamento deve ser mais brando, como é, por exemplo, o óleo, ou mesmo o ar. Recozimento É o tratamento térmico realizado com a finalidade de alcançar um ou vários dos seguintes objetivos: •
Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente;
•
Reduzir a dureza do aço para melhorar a sua usinabilidade; usinabili dade;
•
Diminuir a resistência a tração;
•
Aumentar a ductilidade; ductilid ade;
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Tecnologia dos Materiais •
Regularizar a textura;
•
Eliminar efeitos de quaisquer tratamentos térmicos.
Recozimento total ou pleno Consiste em aquecer o aço a mais ou menos 50 0C acima da linha G – S – K e manter esta temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do carbono e dos outros elementos de liga no ferro gama (austenita). Em seguida, deve-se fazer um resfriamento lento.
O resfriamento é feito dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento. Obtém-se desse recozimento uma estrutura de perlita grosseira que é a estrutura ideal para melhorar a usinabilidade usinabilidade dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2 a 0,6%); para aços com alto teor de carbono é preferível a estrutura de esferoidita que veremos no recozimento de esferoidização. esferoidização.
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Tecnologia dos Materiais A figura seguinte mostra a curva T.T.T. do aço AISI 5140 com a curva de resfriamento do recozimento.
Curva T.T.T. de aço AISI 5140 com 0,43%C, 0,68%Mn e 0,93%Cr.
Recozimento de esferoidização O recozimento de esferoidização objetiva transformar a rede de lâminas de cementita em carbonetos mais ou menos esféricos ou esferoiditas.
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Tecnologia dos Materiais Esse tratamento melhora a usinabilidade e a ductilidade dos aços de alto teor de carbono. Para ocorrer essa transformação, o aço deve ser aquecido a uma temperatura entre 680 0C a 7500C, em função do teor de carbono.
Processos de recozimento
Esta temperatura deve ser mantida o tempo suficiente para homogeneizar a temperatura em toda a peça e o resfriamento deve ser lento, cerca de 10 0C a 200C por hora. Recozimento subcrítico Consiste em aquecer o aço a uma temperatura entre 550 a 650 0C (abaixo da zona crítica – figura a seguir) com a finalidade de promover uma recristalização em peças que foram deformadas a frio (laminação, forjamento) ou para aliviar tensões internas provocadas nos processos de soldagem, corte por chama, solidificação de peças fundidas.
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Tecnologia dos Materiais
Normalização A normalização normalização consiste em aquecer as peças 200C a 300C acima da temperatura de transformação (linha G – S – E) e resfriá-las mais rápido que no recozimento porém mais lento que na têmpera. O mais comum é um resfriamento ao ar.
Temperatura para normalização
O objetivo deste tratamento é obter uma granulação mais fina e uniforme dos cristais, eliminando as tensões internas.
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Tecnologia dos Materiais A normalização é usada em aço, após a fundição, forjamento ou laminação e no ferro fundido após a fundição. Têmpera dos aços A têmpera é um tratamento térmico que executamos em um aço quando desejamos aumentar sua dureza e resistência mecânica. Conseguimos isso mudando a estrutura do aço (de ferrita + perlita) para uma estrutura martensítica. A operação consiste basicamente basicamente em três etapas: etapas: •
Aquecimento
•
Manutenção de uma determinada temperatura
•
Resfriamento
•
Aquecimento
O aço deve ser aquecido em torno de 50 0C acima da zona crítica (linha G – S – K – figura ao lado) para que nos aços hipoeutetóides a perlita e a ferrita se transformem em austenita.
Temperatura de têmpera
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Tecnologia dos Materiais Para os aços hipereutetóides, a temperatura pode ser mais baixa ( ± 500C acima da linha S - K figura acima). Nessa temperatura a perlita se transforma em austenita e a cementita já é um constituinte duro. Manutenção da temperatura É o tempo necessário para que toda a peça chegue a uma mesma temperatura e se solubilize totalmente o carbono. Resfriamento O resfriamento deve ser feito em um meio que possibilite uma velocidade crítica, permitindo obter a estrutura de martensita. Esse meio pode ser: água, sal moura, óleo ou mesmo o próprio ar dependendo da velocidade de resfriamento que se precise. A figura ao lado mostra a curva de resfriamento para temperar o aço 1080, a linha M s indica o início e a linha M f , o fim da transformação da austenita em martensita.
Curva T.T.T. do aço ABNT 1080 mostrando a curva de resfriamento para a têmpera
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Tecnologia dos Materiais Revenimento dos aços O revenimento é um tratamento térmico que normalmente se realiza após a têmpera (figura seguinte) com a finalidade de aliviar as tensões internas; diminuir a dureza excessiva e fragilidade do material, aumentando a ductilidade e a resistência ao choque. O revenimento consiste em aquecer a peça entre 100 e 400 0C e resfriar lentamente.
Beneficiamento Consiste em fazer uma têmpera, seguida de um revenimento a uma temperatura entre 450 0 a 6500C. Os fabricantes de aço costumam fornecer diagramas semelhantes aos da figura seguinte de onde se escolhe a temperatura temperatura de revenimento em função das características mecânicas desejadas.
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Tecnologia dos Materiais
Efeito da temperatura de revenimento sobre a dureza e a resistência ao choque de um aço ABNT 1045
Alguns tipos de aços quando revenidos dentro de uma faixa de temperatura apresentam um aumento da fragilidade, medida em ensaio de resistência ao choque. Essa faixa de temperatura deve ser evitada revenindo-se a uma temperatura mais baixa ou a uma temperatura mais alta seguida de um resfriamento rápido (água ou óleo). Por exemplo: Aços Cr - Ni (tipo SAE 3140 e semelhantes) quando revenidos na faixa de 4550C a 5930C ou se aquecidos acima desta temperatura e resfriados lentamente, apresentam baixa resistência ao choque. Entretanto se aquecidos, por exemplo, a 6200C e resfriados rapidamente, sua resistência ao choque será satisfatória. As causas deste f enômeno ainda estão sendo estudadas. Atribui-se esse fato a uma possível precipitação de uma fase frágil dentro desta faixa de temperatura. Sabe-se que elevados teores de manganês, fósforo e cromo acentuam o fenômeno enquanto o molibdênio o retarda.
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Tecnologia dos Materiais Tratamento térmico de aços ligados Para a determinação das temperaturas deve-se sempre consultar as tabelas e diagramas do fornecedor. Aço ABNT 4340 Composição
%
C
0,38 – 0,43
Si
0,15 – 0,30
Mn
0,60 – 0,80
Cr
0,70 – 0,90
Ni
1,65 – 2,00
Mo
0,20 – 0,30
Diagrama de revenimento do aço ABNT 4340
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Tecnologia dos Materiais Em geral, os aços ligados necessitam de temperaturas altas para dissolver os carbonetos de elementos de liga (Cr, W, Mo, Ni). O resfriamento é menos brusco (óleo, ar) e a estrutura obtida é mais fina (grãos menores). O revenimento após a têmpera deve ser iniciado o mais depressa possível, e em alguns casos é recomendado mais de um revenimento devido ao problema da austenita retida. Austenita retida Alguns aços ligados ao serem resfriados da temperatura de têmpera não se transformam inteiramente de austenita em martensita. Essa austenita que não se transformou (austenita retida) pode se transformar depois de algum tempo. Isso provoca uma variação dimensional da peça que poderá causar uma trinca. Nesses casos, recomenda-se fazer mais de um revenimento. No primeiro, a austenita retida se transformará em martensita; observa-se um aumento de dureza. Em seguida, em um segundo revenimento, as tensões da martensita serão aliviadas e o material se estabilizará. Outro tratamento que pode ser executado nesses aços é o tratamento subzero. Tratamento subzero Consiste em se resfriar o aço a temperaturas muito inferiores a ambiente, para que ele atinja a linha de fim da transformação martensítica M f , na curva T.T.T. Recorre-se a esse tratamento quando a estabilidade dimensional de ferramentas ou calibres situa-se em faixas muito apertadas de tolerância. Normalmente o primeiro tratamento subzero é executado após um primeiro revenimento, pois seria fatal para a peça um resfriamento direto da temperatura de austenitização. Em instrumentos de alta precisão podem ser adotadas séries de cinco a seis ciclos sucessivos de resfriamentos subzeros e revenimentos.
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Tecnologia dos Materiais Os meios usados podem ser uma mistura de gelo seco em álcool (-70 0C) ou nitrogênio líquido (-1950C). A figura abaixo apresenta a curva T.T.T. do aço SAE D3 que apresenta forte tendência à retenção de austenita após a têmpera. Devido a essa tendência, recomenda-se resfriar o material a temperaturas de –70 a –80 0C, logo após a têmpera, seguido de revenimento normal.
Curva T.T.T. aço SAE D3 – (Villares VC130) Composição 2,00%C, 12,00%Cr
A figura seguinte mostra a variação da dureza em função da temperatura usada para revenir.
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Curva de revenimento para o aço SAE D3. A experiência foi feita com corpos de prova quadrados com 0
20mm de lado, austenitizados a 960 C e revenidos na temperatura indicada por uma hora.
Têmpera superficial Na têmpera superficial produz-se uma mudança da estrutura cristalina localizada apenas na superfície do aço, que adquire as propriedades e características típicas da estrutura martensítica. Esse processo tem como objetivo aumentar consideravelmente a resistência ao desgaste na superfície e manter a tenacidade do núcleo. Devem ser empregados aços de 0,3% a 0,6% de teor de carbono. A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: chama e indução. Têmpera por chama O aquecimento da peça é feito por meio da incidência de uma chama oxiacetilênica na superfície da peça, a uma temperatura acima da zona crítica (723 0C), atingindo uma camada predeterminada a endurecer; em seguida é feito um resfriamento por jateamento de água. Existem vários métodos de aquecimento. As duas próximas figuras mostram os tipos de aquecimento para têmpera superficial: circular e linear.
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Têmpera superficial circular Método combinado progressivo-giratório
Têmpera superficial linear
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Tecnologia dos Materiais Têmpera superficial por indução O calor para aquecer a peça até a temperatura de austenitização pode ser gerado na própria peça por indução eletromagnética. A peça a ser temperada é colocada dentro de uma bobina. Um gerador fornece a corrente elétrica de alta freqüência, que cria um campo magnético na bobina. Esse campo magnético provoca um fluxo de corrente elétrica na peça (princípio da indução). O aquecimento da peça é gerado pela resistência do material ao fluxo da corrente elétrica.
Processos de têmpera superficial por indução.
Alcançada a temperatura de têmpera, resfria-se rapidamente a peça por meio de um jato de água ou óleo. Tratamentos termoquímicos Os processos termoquímicos são aplicados nos aços com baixo teor de carbono com o objetivo de aumentar sua dureza superficial e a resistência ao desgaste, mantendo o núcleo dúctil e tenaz.
Absorvendo um elemento endurecedor, o material modifica sua composição química superficial.
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Tecnologia dos Materiais
Os tratamentos termoquímicos mais usados são: •
Cementação
•
Nitretação
•
Boretação
Esses tratamentos são feitos com substâncias sólidas, líquidas ou gasosas. Cementação A cementação se aplica a aços com até 0,25% de carbono e com baixo teor em elementos de ligas. O aço é colocado em um meio rico em carbono e aquecido a uma temperatura acima da temperatura de transformação em austenita, pois neste estado ele consegue dissolver melhor o carbono. A profundidade de penetração do carbono depende do tempo de cementação.
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Tecnologia dos Materiais Como o processo se dá por difusão, a camada superficial apresentará grande saturação do elemento carbono, decrescendo em direção ao núcleo como mostra a figura a seguir.
Difusão do carbono na cementação
Temperatura de cementação As temperaturas de cementação mais elevadas favorecem a penetração reduzindo o tempo de cementação, porém, conferem uma granulação mais grosseira, o que reduz os limites de resistência a tração, torção, flexão, etc. Os valores mais usuais de temperatura de cementação oscilam de 850 0C a 9500C. Tempo de cementação O tempo de cementação é determinado em função da espessura da camada cementada desejada, da temperatura e do meio cementante. Obviamente, quanto maior for o tempo e mais alta a temperatura, mais profunda será a camada. Meios de cementação A cementação, quanto aos meios cementantes (tabela abaixo), pode ser: •
Sólida (caixa)
•
Liquida (banho em sais fundidos)
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Tecnologia dos Materiais •
Gasosa (fornos de atmosfera) Cementação
Meios cementantes Carvão vegetal duro
Sólida
Carvão coque 20% Ativadores 5 a 10% Cianetos de sódio Cianetos de bário
Líquida
Cianatos de sódio Cianatos de bário Outros sais
Gasosa
Gás metano Gás propano, etc.
Aplicação da cementação Peças como engrenagens, eixos, parafusos, etc., que necessitam de resistência mecânica e de alta dureza na superfície e núcleo dúctil com boa tenacidade. Nitretação A nitretação, semelhantemente à cementação, é um tratamento de endurecimento superficial em que se introduz superficialmente nitrogênio no aço até uma certa profundidade, a uma temperatura determinada em ambiente nitrogenoso. Exemplos: 34 Cr A l Mo 5 31 Cr Mo 12 34 Cr A l Ni 7 A nitretação é realizada com os seguintes objetivos: •
Obtenção de elevada dureza superficial, maior do que nos outros processos, exceto na boretação;
•
Aumento da resistência ao desgaste;
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Tecnologia dos Materiais •
Aumento da resistência à fadiga;
•
Aumento da resistência à corrosão;
•
Melhoria de resistência superficial ao calor.
A nitretação é realizada com temperatura inferior à zona crítica de 500 a 560 0C, tornando as peças menos suscetíveis a empenamentos ou distorções. Após a nitretação não há necessidade de qualquer tratamento. A nitretação pode ser feita em meio líquido ou gasoso, devendo ser aplicada em peças temperadas. O nitrogênio introduzido na superfície combina-se com o ferro, formando uma camada de nitreto de ferro de elevada dureza. Na nitretação gasosa, o elemento nitretante é a amônia que se decompõe, parcialmente, fornecendo o nitrogênio. Nesse processo, o tempo de formação da camada é muito grande, como mostra o gráfico seguinte.
Diagrama da nitretação gasosa
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Tecnologia dos Materiais Na nitretação líquida, o meio nitretante são banhos de sais fundidos, em geral cianetos e cianatos, responsáveis pelo fornecimento do nitrogênio. A nitretação líquida apresenta vantagens sobre a gasosa, pois confere ao aço camadas mais profundas em menos tempo e reduz a possibilidade de deformações. Oferece bons resultados também para os aços comuns ao carbono. O gráfico abaixo nos mostra a influência do carbono e das ligas na profundidade da camada nitretada.
Diagrama de nitretação líquida
Boretação É o processo mais recente dos tratamentos superficiais nos aços liga, ferro fundido comum e nodular. O processo se efetua em meio sólido de carboneto de boro a uma temperatura de 800 0C a 1 0500C. O composto formado na superfície é o boreto de ferro, com dureza elevadíssima, na faixa de 1 700 a 2 000 vickers. A alta dureza da camada boretada oferece elevada resistência ao desgaste e, inclusive, elevada resistência à corrosão.
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Tecnologia dos Materiais Essa camada é resultado do tempo de boretação. Um aço SAE 1 045 boretado a 900 0C apresentou o seguinte resultado: Camada 100µ em 4 horas Camada 150µ em 8 horas Camada 200µ em 12 horas O aço boretado é usualmente temperado e revenido. Resumo dos ciclos de tratamentos térmicos
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Tecnologia dos Materiais Tratamento
Finalidade Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente. Reduzir dureza. Melhorar a usinabilidade.
Obter granulação mais fina. Eliminar tensões internas originadas na fundição, forjamento ou laminação.
Aumenta a dureza, resistência a tração.
Aumenta a dureza superficial e mantém o núcleo da peça dúctil e tenaz.
Aumenta a dureza superficial, resistência a fadiga, a corrosão, melhora a resistência superficial a calor.
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Tecnologia dos Materiais Exercício Preencha os quadros a seguir de acordo com o gráfico.
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Tecnologia dos Materiais Questionário - resumo 1. Qual a propriedade que a têmpera confere aos aços e como se realiza a operação ?
2. Compare a estrutura do aço existente antes da têmpera com a estrutura formada após a têmpera.
3. Quais são os fatores (e suas características) que influem nos tratamentos térmicos ?
4. Consulte as curvas T.T.T. do aço 43MnCr6, determine as estruturas em porcentagem e a dureza em HRC, aplicando a curva de velocidade de resfriamento IV.
5. Defina as faixas de temperatura para os seguintes processos: recozimento - normalização revenimento e beneficiamento.
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Tecnologia dos Materiais 6. Qual a finalidade do processo de recozimento, normalização e beneficiamento ?
7. Quais as finalidades dos processos de têmpera superficial ?
8. Quais os tipos de aços indicados para os processos de têmpera superficial ?
9. Que tipos de aço podem ser utilizados para os processos de cementação e nitretação ?
10. Quais os objetivos e vantagens da nitretação ?
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Tecnologia dos Materiais METAIS NÃO-FERROSOS E LIGAS Objetivos Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre: •
Classificação dos metais em leves ou densos;
•
Processos de obtenção.
Saber Reproduzir conhecimentos sobre: •
Propriedades e aplicação dos materiais não-ferrosos;
•
Características e simbologia nas normas usando tabelas;
•
Características e aplicações de ligas metálicas.
Ser capaz de Aplicar conhecimentos para: •
Interpretar e especificar as normas dos materiais não-ferrosos e suas ligas através do uso das tabelas;
•
Selecionar o material adequado em função das propriedades exigidas.
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Tecnologia dos Materiais Introdução Os metais não-ferrosos têm aumentado cada vez mais a sua importância no mundo moderno, quer substituindo o ferro, quer formando ligas com o ferro para melhorar as suas características. Podemos classificá-los em dois grandes grupos: 1. Metais pesados cuja densidade é maior ou igual a 5kg/dm 3. 2. Metais leves cuja densidade é menor que 5kg/dm3.
A maioria dos metais puros são moles e têm baixa resistência a tração. Mas essas propriedades podem ser melhoradas pela adição de elementos de liga. Pela adição de elementos de liga quase sempre aumentam-se a dureza e a resistência a tração, diminui-se o alongamento, e a condutibilidade elétrica piora. A 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.
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Tecnologia dos Materiais O quadro abaixo mostra esquematicamente o processo de obtenção da maioria dos metais.
Para obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam-se normalmente outros processos além do processo normal de obtenção do metal siderúrgico, os quais dependem do tipo de metal. Normalização Segundo DIN 1700 Para metais puros escreve-se o símbolo do elemento químico seguido do grau de pureza. Designação de metais puros Zn
99,99
símbolo
grau de pureza
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Tecnologia dos Materiais Para ligas adota-se a seguinte forma: Produção ou
Propriedades
Composição
aplicação G = Fundido GD = Fundido a
pressão
GK = Fundido em coquilha
especiais 1. Símbolo químico do metal base 2. Símbolo químico dos elementos de liga seguidos de seu teor em porcentagem
F-40 = Resistência a tração em
kgf/mm2
W
= mole
h
= duro
Gz = Fundido por
Wh = dureza de
centrifugação
laminado
V = Liga prévia de
Zh = dureza de
trefilado
P
= dureza de
adição
Gl = Met. antifricção para mancais L = Metal para solda
prensagem
150Hv = dureza
vickers
bk
= brilhante
gb
= decapado
g
= recozido
dek
= oxidável com efeito
decorativo
Exemplos 1. GD-Zn A l 4 Cu1 → Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de A l , 1% de Cu. 2. A l Cu Mg1 F40 →Liga de alumínio com 1% de Cu e resistência a tração de 40kfg/mm 2 ≅ 390N/mm2.
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Tecnologia dos Materiais Exercício Explique as denominações das ligas abaixo: G l Sn80 A l Cu Mg1 W A l Mg Si1 dek F28 Gk Cu A l 10 Ni Metais não-ferrosos pesados Cobre(Cu) Propriedades: é um metal de cor avermelhada, bom condutor de eletricidade e calor, resistente a corrosão, dúctil e maleável (pode atingir mais de 90% de deformação a frio, sem recozimento intermediário). Propriedades do cobre Densidade
8,96g/cm3
Ponto de fusão
1 0830C
Resistência a tração
200...360N/mm2
Alongamento
50...35%
Coeficiente de dilatação térmica
16,5X10 -6cm/cm/0C (200C)
É utilizado para transmissão de energia elétrica (fios, chaves, conexões) e energia térmica (trocadores de calor). Quando são necessárias propriedades mecânicas mais elevadas, usam-se ligas de cobre. Liga cobre-zinco (latões) São ligas de cobre e zinco onde o teor de zinco varia de 5 a 50%, podendo ainda conter outros elementos de liga como o chumbo, estanho e alumínio em pequenos teores.
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Tecnologia dos Materiais Exemplos de liga cobre-zinco: Cu Zn30 F43 Cu Zn20 Al F35 Cu Zn39 Sn F35 Liga cobre-estanho (bronzes) Os bronzes são ligas de cobre com estanho (2 a 16%). À medida que cresce o teor de estanho, aumenta a resistência mecânica e diminui a ductilidade. As propriedades mecânicas podem ser melhoradas com a adição de até 0,4% de fósforo que atuará como desoxidante, dando origem ao chamado bronze fosforoso. O chumbo é adicionado para melhorar as propriedades de antifricção, a usinabilidade e a estanqueidade (de peças fundidas); o zinco é adicionado para atuar como desoxidante (nas peças fundidas) e melhorar a resistência mecânica. Exemplos de liga cobre-estanho: Cu Sn8 F53 Cu Sn6 Zn F70 Liga cobre-níquel e liga cobre-níquel-zinco (alpacas) As alpacas contêm de 45 a 70% de cobre, 10 a 30% de níquel e o restante de zinco. Exemplo de alpaca: Cu Ni25 Sn5 Zn2 Pb2 São utilizadas para confecção de peças decorativas, talheres e utensílios semelhantes, molas de contato de equipamentos elétricos e telefônicos, arames de resistores elétricos, válvulas hidráulicas.
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Tecnologia dos Materiais Liga cobre-alumínio São utilizadas para confecção de cestos de decapagem, sapatas de laminador, engrenagens internas, bombas resistentes a álcalis, assentos de válvulas, hastes, hélices navais, mancais, buchas. Exemplos de liga cobre-alumínio: Cu A l 10 Fe1 Cu A l 11 Fe5 Ni5 Propriedades mecânicas Liga
Limite de resistência a tração kgf/mm2
Alongamento %
Dureza brinell
Cu – ETP* 22 – 45
45 – 105
Cabos condutores de eletricidade, motores, geradores, transformadores, bobinas.
65 – 160
Tubos de trocadores de calor para água não poluída, cápsulas e roscas de lâmpadas, cartuchos, instrumentos musicais, carcaças de extintores de incêndio, componentes estampados e conformados (tais como rebites, pinos e parafusos).
45 – 12
55 – 105
(Boa usinabilidade e condutibilidade elétrica). Parafusos, componentes rosqueados de dispositivos elétricos, conectores fêmea-macho para computadores.
60 – 2
(Possui pequeno teor de fósforo 0,02 – 0,40%). Tubo de condução de águas ácidas de mineração, componente para a indústria química, 80 – 225 têxtil e de papel, engrenagens, componentes de bombas, molas condutoras de eletricidade, eletrodos de soldagem.
48 – 6
(latões) CuZn30
CuZn9Pb2
33 – 85
27 – 40
62 – 3
(bronzes) CuSn6
CuSn10Pb10
37 – 100
Uso
18
28
69
Mancais para altas velocidades e grandes pressões, mancais para laminadores.
*Cu – ETP → cobre eletrolítico tenaz
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Tecnologia dos Materiais Chumbo 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 conhecê-lo pelo peso: é um material muito denso e macio. Propriedades do chumbo 11,3
Densidade Ponto de fusão 0C
kg dm 3
3270C 15...20
Resistência a tração Alongamento
N mm 2
50...30%
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.
Liga-se com dificuldades a outros metais, exceto com o estanho, com o qual se produz a solda de estanho. É bem resistente a corrosão, pois, quando exposto ao ar, recobre-se de uma camada protetora de óxido. Designação do chumbo Denominação
Norma
Impureza
Chumbo fino
Pb 99,99
0,01%
Chumbo siderúrgico
Pb 99,9
0,1%
Chumbo refundido
Pb 98,5
1,5%
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Tecnologia dos Materiais Precaução Partículas de chumbo que aderem às mãos podem penetrar no organismo e provocar uma intoxicação; por isso é indispensável lavar bem as mãos após o trabalho. Aplicação É utilizado no revestimento de cabos elétricos subterrâneos e no revestimento de recipientes para ácidos usados na indústria química. O chumbo fino aplica-se em placas de acumuladores, cristais óticos e proteção contra raios X. 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 maior coeficiente de dilatação térmica (0,000029/ 0C). Exposto à umidade do ar, combina-se com o bióxido de carbono (CO 2), formando uma capa cinzenta de carbonato de zinco (Zn+CO 2) que protege o metal. É muito sensível aos ácidos, que o atacam e destroem, sendo portanto, impossível conservar ácidos em recipientes de zinco. Propriedades do zinco Densidade Ponto de fusão Resistência à tração Alongamento
7,1
kg dm 3
4190C 20...36
N mm 2
1%
As propriedades do zinco podem ser sensivelmente melhoradas por adição de outros metais.
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Tecnologia dos Materiais Designação do zinco Denominação
Norma
Impureza
Zinco fino
Zn 99,95
0,005%
Zinco siderúrgico
Zn 99,5
0,5%
G-Zn.A l 6.Cu
1%
Zinco fundido
Com liga de alumínio se torna mais resistente, com liga de cobre, mais duro. O magnésio compensa as impurezas existentes e igualmente o torna mais duro. Também o bismuto, o chumbo e o tálio melhoram consideravelmente as propriedades do zinco para sua usinagem. Aplicação Peças de aço, que estejam sujeitas a oxidação do tempo, devem receber uma zincagem (banho de zinco) para sua proteção. As ligas de zinco, também chamadas de zamac, são muito utilizadas para obter peças complicadas através de fundição por injeção. Esse processo facilita a fabricação em série e aumenta a precisão das peças. Nome comercial
Norma
Zamac 2
Zn A l 4 Cu3
Zamac 3
Zn A l
Zamac 5
Zn A l 4 Cu
Zamac 610
Zn A l 6 Cu
Essas ligas são usadas na confecção de maçanetas, componentes de relógio, botões de controle, brinquedos (particularmente em miniaturas), componentes de máquinas de escrever, de calcular e de eletrodomésticos. Estanho (Sn) É um metal branco azulado e macio que se funde facilmente e é resistente a corrosão.
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Tecnologia dos Materiais Dobrando-se uma barra de estanho, ouve-se um ruído como se o metal estivesse trincado. Esse ruído é produzido em conseqüência do deslizamento dos cristais, que atritam entre si (grito do estanho). Não se altera quando em contato com ácidos orgânicos ou quando exposto às intempéries. Propriedades do estanho Densidade
7,3kg/dm3
Temp. de liquefação
2320C
Resistência a tração
40...50N/mm2
Ductilidade
40%
Em temperaturas inferiores a -15 0C, o estanho se decompõe formando um pó de cor cinzenta. O estanho puro não é empregado em construções de peças devido a sua pequena resistência a tração. Graças a sua grande ductilidade podem-se laminar folhas muito delgadas, de até 0,008mm de espessura. O estanho é muito fluido no estado fundido e adere muito bem ao aço. Liga-se perfeitamente com outros metais, tais como: cobre, chumbo e antimônio. A solda de estanho é possível sobre latão, aço e aço fundido. Símbolo
Aplicação
Sn 99,9
Para revestir aço usado para embalar alimentos (folha de flandres).
L – Sn50 Pb Sb
Solda para indústria elétrica (temperatura de fusão 183 0C..2150C).
L – Sn60 Pb Ag
Solda para a indústria eletrônica (temperatura de fusão 178 0C..1800C).
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Tecnologia dos Materiais Metais leves Alumínio puro A figura seguinte mostra o processo de obtenção do alumínio por meio da energia elétrica. A matéria-prima é o minério bauxita, que é submetido a diversos processos para secagem, separação das impurezas e transformação em óxido de alumínio puro.
Obtenção do alumínio
O óxido de alumínio é transformado em alumínio puro por eletrólise (decomposição por corrente elétrica em alumínio e oxigênio). Pode ser transformado em produtos fundidos ou laminados.
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Tecnologia dos Materiais Propriedades É um metal muito macio e muito dúctil. Pode ser identificado pela sua cor branca prateada. É bom condutor de calor e de corrente elétrica. Tem uma grande resistência a corrosão e liga-se muito bem a outros metais. Propriedades do alumínio puro 2,7kg/dm3
Densidade
6580C
Ponto de fusão Resistência a tração Ductilidade
90 – 230N/mm2 20%...35%
Em contato com o ar se recobre de uma camada muito delgada de óxido que protege o metal (A l +O2 → A l 2O3). Por causa de sua capacidade de alongamento é fácil de dobrar, trefilar e repuxar. Pode ser usinado com grandes velocidades de corte e grandes ângulos de saídas na ferramenta ( γ).
Velocidade de corte do alumínio em m/min Ferramenta/ Operação
Aço rápido γ =
350 a 400
Metal duro γ =
300 a 350
Tornear
120 – 180
250 – 700
Furar
50 – 200
90 – 300
Fresar
200 – 380
até 1 200
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Tecnologia dos Materiais Aplicações do alumínio puro (em função da pureza) Impurezas
Denominação
Designação
Alumínio puro
Al 99,8
0,2
Al 99,6
0,5
Al 99
1
Al 99,99
0,01
em %
99,8 Alumínio puro 99,5 Alumínio puro 99 Alumínio extrapuro
Formas Em semiprodutos como: chapas, tiras, tubos, perfis, peças prensadas, arames e barras.
Emprego Produtos químicos para altas exigências. Eletrotécnica, produtos químicos, construções navais. Usos gerais, exceto peças sujeitas à ação de agentes químicos, por exemplo: baterias de cozinha. Usos químicos, joalheria.
99,99
Ligas de alumínio Quando o alumínio é ligado a outros metais, obtêm-se ligas de alta resistência e dureza, enquanto que suas maleabilidade e condutibilidade elétrica diminuem. As ligas de alumínio com cobre, zinco, magnésio e silício podem ser submetidas a um tratamento especial de têmpera. Esse processo aumenta a dureza e mais ainda a resistência a tração (duas vezes). As ligas podem ser classificadas em: •
Ligas de laminação
•
Ligas de fundição
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Tecnologia dos Materiais
Ligas de alumínio de laminação São transformadas por laminação, trefilação e trabalhos com prensa em chapas, tiras, barras, tubos e perfis. Ligas de alumínio fundido São fundidas em areia, coquilha e sob pressão. As peças moldadas sob pressão são obtidas injetando-se o metal líquido a alta pressão em moldes de aço. Esse processo é aplicado para peças de alta precisão e boa resistência a tração. Ligas de alumínio – Norma DIN 1725 Ligas laminadas
Composição
Usos
A l CuMg
±4% Cu
Peças leves para alto esforço mecânico.
0,2 – 0,8% Mg A l MgSi
0,6 – 1,6% Mg 0,6 – 1,6% Si
Presta-se para soldar e polir e possui alta resistência a corrosão.
Ligas fundidas G-A l Si10Mg
9 – 11% Mg 0,2 – 0,4% Mg
G-A l Mg10
9 – 11% Mg
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Usada em carcaças e engrenagens. Possui alta resistência a tração (220 N/mm2) e é soldável. Para peças da indústria química e aeronáutica.
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Tecnologia dos Materiais Oxidação anódica Permite melhorar a resistência a corrosão de certas ligas de alumínio. Na oxidação anódica, as peças de alumínio recebem, depois de sua elaboração, uma camada protetora de óxido reforçado por oxidação elétrica. Essa camada é muito dura e resiste muito bem a intempéries. As chapas das ligas Al Cu Mg são recobertas por uma fina camada de alumínio puro ou por uma liga isenta de cobre, por laminação a quente, para que não escureça. Ligas de magnésio O magnésio é um metal leve ( δ = 1,74kg/dm3). O magnésio puro não pode ser empregado como material para construção, somente suas ligas encontram aplicações industriais. As ligas são obtidas com resistência satisfatória com adições de alumínio, zinco e silício. Podem ser soldadas e se fundem facilmente. Ligas de magnésio Liga
Composição
G – Mg Al 9 Zn1
8,3 a 10% A l 0,3 a 1,0% Zn 0,15 a 0,3% Mn Propriedades
Densidade
1,8kg/dm3
Resistência a tração
24 a 28 kp/mm2
Alongamento
10 a 6%
Para melhorar a resistência a corrosão, as peças de ligas recebem um tratamento depois de usinadas: um banho de ácido nítrico e dicromato de álcalis, que forma em sua superfície uma capa amarelada. Aplicações As ligas de magnésio são utilizadas na confecção de carcaça de motores e mecanismos portáteis que devem ser leves, tais como, serras e roçadeiras portáteis.
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Tecnologia dos Materiais Precauções Os cavacos finos que são produzidos durante a usinagem podem inflamar-se e provocar incêndio. Para esfriar os cavacos de magnésio usa-se areia, cavacos de ferro-fundido, jamais água. Questionário - Resumo 1. Como é feita a designação dos metais não-ferrosos puros ?
2. Comente a obtenção dos metais não-ferrosos.
3. Como é feita a designação das ligas não-ferrosas ?
4. Quais as propriedades mais importantes do cobre, do chumbo, do zinco e do estanho ?
5. Quais as aplicações do Al, Mg, Zn, Cu e Pb ?
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Tecnologia dos Materiais 6. Ordene os metais abaixo em função de sua resistência a tração: Zn, Cu, Al e Pb.
7. Quais as propriedades e aplicações do latão ?
8. O que significa a seguinte designação do alumínio: Al 99,5 ?
9. Quais as propriedades e aplicações do alumínio ?
10. Quais as propriedades e aplicações das ligas de magnésio ?
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Tecnologia dos Materiais SINTERIZAÇÃO Objetivos Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre: •
Processo de sinterização;
•
Princípio da normalização de peças sinterizadas.
Saber Reproduzir conhecimentos sobre: •
Características físicas e mecânicas das peças sinterizadas;
•
Propriedades das peças sinterizadas e aplicação na confecção de ferramentas.
Metalurgia do pó ou sinterização A metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que consiste em transformar pós de metais, óxidos metálicos, carbonetos ou mesmo substâncias não-metálicas em peças com resistência adequada à finalidade a que se destinam sem recorrer à fusão, empregando-se pressão e calor.
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Tecnologia dos Materiais Processo de sinterização
Processo de sinterização
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Tecnologia dos Materiais Fabricação dos pós Para obter pós metálicos existem vários processos. O mais comum consiste em se injetar ar comprimido ou água sobre o metal líquido.
Obtenção de pós metálicos por meio de pulverização
Esse pó passa por um tratamento de secagem e um recozimento para desoxidação. De acordo com as propriedades exigidas na peça, são misturados vários tipos de pós com a adição de lubrificantes para facilitar a compactação. Compactação É uma operação básica do processo de sinterização. O pó é colocado em matrizes que estão montadas em prensas de compressão, onde é comprimido a pressões determinadas em função de sua composição e das características finais que se desejam nas peças sinterizadas.
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Tecnologia dos Materiais
Operação de compactação
As pressões de compactação exigidas na metalurgia do pó variam em função dos materiais (tabela abaixo), das características finais desejadas das peças sinterizadas e da quantidade e qualidade do lubrificante adicionado à mistura para facilitar a compactação.
Materiais
Pressão KN/cm2
Peças de latão
4,0 a 7,0
Buchas autolubrificantes de bronze
2,0 a 3,0
Escovas coletoras Cu – grafite Metal duro
3,5 a 4,5 1,0 a 5,0
Peças de aço baixa densidade
3,0 a 5,0
média densidade
5,0 a 6,0
alta densidade
6,0 a 10,0
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Tecnologia dos Materiais Peças que devem ter alta densidade, elevada dureza e resistência a tração são compactadas a quente, é o caso por exemplo do metal duro. Sinterização Consiste no aquecimento das peças comprimidas a temperaturas específicas. A temperatura de sinterização de pós de uma só substância é de 60 a 80% da sua temperatura de fusão, e em caso de pós de várias substâncias essa temperatura é ligeiramente superior à temperatura de fusão da substância de menor ponto de fusão. A temperatura de sinterização de alguns materiais está indicada na tabela seguinte. Temperatura de sinterização de alguns materiais 0
Materiais
C
Bronze fosforoso
600 a 800
Ferro e aço
1 000 a 1 300
Metal duro
1 400 a 1 600
A sinterização é feita em forno com gás protetor ou a vácuo para evitar a oxidação. O tempo é de 30 a 150 minutos. Em peças em que se deseja uma alta densidade e melhores propriedades de resistência, voltase a prensar e a sinterizar (duplo prensado e sinterizado). Princípio da sinterização As partículas só têm contato em poucos pontos; por isso, o efeito da coesão é muito baixo. Através de uma alta pressão (40-80kN/cm2) a secção de contato aumenta, ou seja, a força de coesão também aumenta. Durante o aquecimento ocorre um fluxo plástico (temperatura próxima à fase líquida).
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Tecnologia dos Materiais Nos contornos dos grãos os átomos são deslocados e formam novos grãos. Os novos grãos diminuem os poros e formam uma nova estrutura com grande densidade.
Efeitos da sinterização – esferas de cobre a 1020ºC (ampliação 300X).
Calibragem Após a sinterização, prensam-se as peças em uma ferramenta (matriz) para melhorar a precisão dimensional e a qualidade superficial. Acabamento final As peças sinterizadas podem sofrer operações de usinagem, tratamentos térmicos e tratamentos superficiais. •
Tratamentos térmicos Para melhorar a resistência a tração e a dureza de aços sinterizados pode-se recorrer a tratamentos térmicos como a têmpera, cementação ou carbonitretação.
•
Tratamentos superficiais Para melhorar a resistência a desgaste e a corrosão empregam-se tratamentos superficiais como a oxidação (tratamento com vapor de água), cromeação, fosfatação, etc.
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Tecnologia dos Materiais Normalização A normalização dos materiais sinterizados é feita em função da porosidade. Designação
Volume Classe de material
de material
Porosidade
em %
Aplicação
em %
AF
< 73
> 27
Filtros
A
75
25
Mancais
B
80
20
C
85
15
Peças de perfis
D
90
10
Peças de perfis
Mancais Peças de perfis
Numeração
Material
00
Ferro sinterizado
10
Aço
20
Aço com cobre
30
Aço/Cu/Ni
50
Cu Sn
54
Cu Ni Zn
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Tecnologia dos Materiais Exemplos Sint
AF 50
Sint
D 10
Bronze
Aço sinterizado
Porosidade – 27%
Porosidade – 10%
Volume de material – 73%
Volume de material – 90%
Para filtros
Para peças de perfis
Aplicações de materiais sinterizados Filtros Materiais sinterizados com grande volume de poros, como por exemplo aço cromo – níquel (Sint A41) ou bronze sinterizado (Sint A50), são utilizados para filtros de gases e líquidos. Buchas Buchas de bronze sinterizadas podem absorver até 30% de seu próprio volume de óleo que ao ser aquecido sai dos poros lubrificando as superfícies de contato (figura a seguir). Buchas sinterizadas de bronze com grafite ou bissulfeto de molibdênio não necessitam de lubrificante líquido. Com o deslizamento sobre pressão, forma-se na superfície de contato uma película com baixo coeficiente de atrito que tem a função do lubrificante líquido.
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Tecnologia dos Materiais Escovas coletoras O emprego de sinterizados de grafite com cobre na fabricação de escovas coletoras oferece vantagens sobre o grafite já que possui maior condutividade elétrica.
Escovas coletoras
Peças de precisão Os materiais sinterizados podem, ainda, ser utilizados na confecção de engrenagens e peças de formas complexas de automóveis e eletrodomésticos.
Peças sinterizadas
Ferramentas de metal duro Ferramentas de corte, matrizes para compactação e componentes de instrumentos de precisão podem ser fabricados de metal duro. O metal duro é composto de carbonetos de tungstênio, de titânio e de tântalo, mais cobalto, que atua como elemento de liga. Esses elementos são submetidos a altas temperatura e pressão no processo de sinterização.
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Tecnologia dos Materiais A ferramenta sinterizada de metal duro possui excelente rendimento na usinagem a alta velocidade de corte, mantém o corte a elevadas temperaturas e tem maior vida útil que as ferramentas de aços rápidos.
Durezas dos materiais para ferramentas
Ferramentas cerâmicas Os materiais cerâmicos, tais como, A l 2O3, SiO2, unidos com metais como Co, Cr, Fe são sinterizados para produzir ferramentas de corte (ferramentas cerâmicas). Materiais cerâmicos e metálicos não podem ser ligados, só sinterizados, chamam-se também cermets, ou seja, cerâmica + metais. Depois de sinterizadas, as pastilhas de corte têm as propriedades dos materiais brutos, tais como: a dureza de A l 2O3 e a resistência à tração do Cr. Os pós dos metais servem como aglutinantes. Exemplo: Co. A velocidade de corte desse material é mais elevada do que as indicadas para o metal duro. As pastilhas são de baixo custo e não são retificadas após o uso.
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Tecnologia dos Materiais Questionário - Resumo 1. Descreva as etapas fundamentais do processo de sinterização.
2. Quais os materiais que podem ser aplicados na sinterização ?
3. Que vantagens oferece o processo de compactação a quente ?
4. Descreva o princípio da sinterização.
5. Dê alguns exemplos de aplicação de peças sinterizadas.
6. Explique as seguintes normas de peças sinterizadas: Sint – A20 Sint – C50 Sint – B54
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Tecnologia dos Materiais CORROSÃO DOS METAIS Objetivos Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre: •
Definição de corrosão;
•
Tipos de corrosão;
•
Proteção dos metais por revestimentos metálicos e não-metálicos.
Saber Reproduzir conhecimentos sobre: •
Princípio da corrosão em função do potencial elétrico dos materiais;
•
Linha de voltagem;
•
Mecanismo da corrosão química, eletroquímica e intercristalina;
•
Aplicação dos diversos tipos de proteção à corrosão.
Ser capaz de Aplicar conhecimentos para: •
Evitar a corrosão das peças utilizando os tipos adequados de proteção;
•
Utilizar corretamente os materiais de proteção em função de seus potenciais elétricos.
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Tecnologia dos Materiais Introdução Nunca a questão da proteção dos metais contra a corrosão foi objeto de tantas pesquisas como atualmente. O problema da corrosão é muito complexo; primeiro estudaremos o mecanismo e, em seguida, a influência dos vários fatores referentes à corrosão. Definição de corrosão Se entende por corrosão segundo DIN 50900 a destruição de materiais em conseqüência de reações (processos) químicas ou eletroquímicas com os meios que os rodeiam. Os exemplos de várias amostras de metais corroídos classificam a corrosão em dois grupos: corrosão uniforme e corrosão localizada. Corrosão uniforme A corrosão forma uma película uniforme que recobre toda a superfície alterada. Nesse caso, ocorre uma perda de resistência mecânica proporcional à perda da espessura.
Corrosão do cobre pelo ácido nítrico
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Tecnologia dos Materiais Corrosão localizada A corrosão localizada forma uma superfície rugosa no metal e surgem marcas que diminuem a resistência a deformação. Exemplo Chapa de ferro que esteve em contato com água do mar, ou, chapa de alumínio que esteve em contato com mercúrio são exemplos de corrosão localizada (figura seguinte). O metal é recoberto de marcas, a superfície é rugosa. A perda do peso é pequena, porém, a capacidade de deformação e a resistência a tração são reduzidas.
Corrosão localizada
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Tecnologia dos Materiais Tipos de corrosão Corrosão química Esse tipo ocorre em um metal em contato com um meio corroente (sal, ácido, base, água, ar). Por exemplo, quando o cobre entra em contato com a água e o ar, forma-se uma camada de azinhavre, ou seja, carbonato de cobre, resultando na corrosão do metal. Nos metais ferrosos, quando em contato com meios corroentes, forma-se a ferrugem, que os destrói lentamente. Quanto maior for o teor do carbono no aço ou no ferro fundido, tanto maior (ou mais forte) será a corrosão. Corrosão eletroquímica Para que ocorra a corrosão eletroquímica, deve existir um líquido condutor de eletricidade chamado eletrólito e dois metais chamados de eletrodos. A esse conjunto chamamos célula galvânica.
Corrosão eletroquímica
São eletrólitos, por exemplo, soluções de água com ácido, base ou sal.
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Tecnologia dos Materiais Ao se colocar em contato dois eletrodos de metais diferentes, o metal que tem um potencial eletroquímico maior (catodo) atrai elétrons do metal que tem menor potencial eletroquímico (ânodo). O ânodo, que fica com falta de elétrons, liberta então para a solução átomos com falta de elétrons (íons positivos) gerando a corrosão. Na célula galvânica da figura anterior, observamos a corrosão do zinco, porque o cobre tem um potencial de +0,34 volts e o zinco –0,76 volts em relação ao hidrogênio (tabela abaixo). Subtraindo um do outro teremos: +0,34 V – (-0,76V) = 1,1V
s e r b o n o ã n s i a t e M
s e r b o n s i a t e M
Material
Voltagem (V)
Potássio
- 2,92
Sódio
- 2,71
Magnésio
- 2,37
Alumínio
- 1,67
Zinco
- 0,76
Ferro
- 0,44
Níquel
- 0,25
Estanho
- 0,14
Chumbo
- 0,13
Hidrogênio
- 0,00
Cobre
+ 0,34
Prata
+ 0,80
Mercúrio
+ 0,85
Platina
+ 1,20
Ouro
+ 1,50
Reação no ânodo Zn – 2e- → Zn ++ Reação no catodo 2H3O+ + 2e- → H2O + H2
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Tecnologia dos Materiais O Zn++ entra na solução e este eletrodo é corroído. O gás hidrogênio (H 2) vai para a atmosfera e o eletrodo de cobre se mantém intacto. Exemplo de corrosão eletroquímica Para aplicarmos uniões metálicas na construção mecânica, devemos conhecer o mecanismo da corrosão entre diferentes metais. Na figura ao lado vemos uma união de alumínio com um rebite de cobre. O cobre é mais nobre, ou seja, possui um potencial eletroquímico maior e, portanto, o alumínio, que é menos nobre, será atacado e corroído (veja tabela anterior).
Corrosão por formação de par eletroquímico
As figuras seguintes nos apresentam problemas de corrosão quando utilizamos materiais em revestimentos superficiais no ferro. No primeiro caso, o ferro é menos nobre que o estanho e, dessa forma, quando houver uma descontinuidade da camada de estanho, o ferro será corroído. No segundo exemplo, o zinco é menos nobre que o ferro e é atacado em primeiro lugar, protegendo o ferro da corrosão.
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Tecnologia dos Materiais
Ferro estanhado
Ferro galvanizado
O zinco corroe-se com uma velocidade sensivelmente menor que a do aço (
1 1 a ). 10 14
Corrosão intercristalina Nesse tipo de corrosão ocorre uma verdadeira rede de fissuras no metal, enquanto a superfície não apresenta nenhuma alteração visível (figura seguintes). A perda de peso do material é insignificante, entretanto pode romper-se sob um esforço muito pequeno. Sua resistência elétrica é aumentada e pode servir para localizar a existência desse tipo de corrosão, pouco visível ao microscópio.
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Tecnologia dos Materiais
Corrosão intercristalina
No exemplo da figura acima, o ferro puro é menos nobre que o Fe 3C. Os íons, ao se dissolverem, geram uma decomposição do ferro, provocando um enfraquecimento do material pela destruição da rede. Fatores que influem na corrosão Os fatores que influem na corrosão dependem do metal, da peça usinada e do meio corroente. A corrosão do metal é maior quando este é heterogêneo. Os materiais de composição química heterogênea e com presença de impurezas se constituem em centros de ataque da corrosão (figura ao lado). Quanto mais fina é a granulação maior será o ataque.
Corrosão eletroquímica do ferro por influência das impurezas
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Tecnologia dos Materiais Superfície da peça usinada O grau de acabamento de uma peça usinada, e os furos e riscos existentes em sua superfície servem de início para a corrosão. Meio corroente É o meio em que se encontra o metal. O tipo de meio corroente (ácido, salino ou básico), sua composição química, concentração, pureza, temperatura, pressão, viscosidade e estado de agitação (figura a seguir) influem na corrosão.
Corrosão do zinco em função do meio corroente
Trabalho mecânico Os trabalhos mecânicos de dobramento, estampagem e forjamento a frio podem favorecer a corrosão, pois alteram a forma geométrica das peças e podem lhes atribuir impurezas ou inclusões, o que modifica a resistência do material à corrosão. Proteção dos metais por revestimentos metálicos e não-metálicos O recobrimento de um metal por uma camada protetora não tem somente a finalidade de protegê-lo contra a corrosão; pode também aumentar, em certos casos, a sua resistência ao desgaste (cromagem grossa), corrigir um defeito de usinagem ou embelezar uma peça.
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Tecnologia dos Materiais Basicamente existem dois tipos de revestimento: •
Revestimentos metálicos
•
Revestimentos não-metálicos
Revestimentos metálicos A superfície a ser revestida sempre deve ser submetida a um ou mais destes tratamentos: •
Polimento
•
Desengorduramento
•
Decapagem
Polimento Operação na qual se obtêm superfícies lisas e brilhantes através da ação de discos de feltros impregnados com uma massa abrasiva de granulação muito fina. Os discos são aplicados com uma velocidade periférica em torno de 30 a 35m/s. As operações de polimento são utilizadas para a desoxidação das peças metálicas de funilaria e são executadas quando a peça apresenta traços ou depósitos superficiais de óxidos (ferrugem). O polimento pode ser eletroquímico, também chamado de polimento anódico, que se utiliza do princípio de metalização galvânica, ou seja, as peças são introduzidas em um eletrólito (ácido fosfórico, ácido sulfúrico ou ácido crômico) com passagem de corrente contínua. Esse tipo é muito usado no polimento de instrumental cirúrgico. Desengorduramento As operações de desengorduramento precedem à fase final de proteção. São feitas nas peças antes do acabamento com o objetivo de remover eventuais resíduos de óleo, gordura e outras substâncias provenientes das operações anteriores e que, na peça, poderiam anular os efeitos da proteção.
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Tecnologia dos Materiais Os processos de desengorduramento desengorduramento podem ser químicos ou eletrolíticos. Produtos usados para desengorduramento Processo químico Benzina
Solventes líquidos
(benzeno) Clorobenzeno
Vapores de solventes
Trielina Soda cáustica
Soluções alcalinas Processo eletrolític tico
Carboneto de sódio Solução de fosfato lissódico em água
O desengorduramento mediante ação eletrolítica é usado freqüentemente quando se trata de desengordurar desengordurar miudezas metálicas ou pequenas peças de série. Decapagem A decapagem decapagem mecânica é feita com jato de areia ou granalha granalha de FoFo. FoFo. Na decapagem química os aços são decapados com soluções sulfúricas ou clorídricas (10%), que eliminam os óxidos superficiais, mas também podem atacar o ferro subjacente. Metalização das peças – eletrólise (galvanização) Pelo processo de galvanização, são depositados sobre a peça o cobre, o níquel, o cromo, o zinco, o cádmio, a prata e o ouro. Freqüentemente, o depósito de proteção é feito sobre um depósito primário que favorece a aderência e a opacidade. É assim que o níquel é depositado sobre uma camada de cobre, o cromo sobre uma camada de níquel, etc. A peça a ser revestida constitui o catodo de uma célula galvânica (figura seguinte). O eletrólito é uma solução que contém um sal do metal, que irá ser depositado na peça, e algumas substâncias destinadas a melhorar o revestimento (melhorar a aderência, o brilho, etc.).
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Tecnologia dos Materiais
Cobreação eletrolítica
O ânodo pode ser do mesmo metal que será depositado na peça, ou de um metal insolúvel, como por exemplo na eletrodeposição de cromo, usa-se ânodo de chumbo. A espessura da da camada depositada depositada é da ordem de 0,01mm. 0,01mm.
Instalação para cromagem grossa
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Tecnologia dos Materiais Metais mais usados em metalização Metais Zinco e cádmio Chumbo Estanho Cobre Níquel, cromo e cobalto Alumínio
Efeito e aplicação Para a proteção do aço contra o ar e a água. O material depositado é venenoso e não pode ser aplicado em produtos que servirão para acondicionar alimentos. Proteção contra ácidos sulfúricos. Não é venenoso; pode ser aplicado em produtos para acondicionar alimentos. Como proteção de chapas de aço chama-se chapa branca ou folha de flandres. É usado para primeira camada na metalização. Como protetores contra corrosão e desgaste. Podem ser facilmente polidos. Serve para a proteção de aço aço e de ligas não-ferrosas. não-ferrosas.
Imersão num banho de metal em fusão f usão A peça a proteger é mergulhada mergulhada no metal derretido: zinco (galvanização), (galvanização), estanho (estanhagem), chumbo. Na saída, é enxugada para diminuir e igualar a espessura do metal depositado. Esse processo é utilizado somente com metais muito fusíveis. Metalização com pistola Nesse processo, o metal protetor é derretido por meio de um maçarico oxiacetilênico. Um jato de ar comprimido pulveriza o metal derretido sobre a peça.
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Tecnologia dos Materiais
As gotículas fundidas na saída da pistola são lançadas sobre a peça a proteger com uma velocidade tal (da ordem de 100m/s) que, na chegada, chocam-se e se soldam, formando um depósito muito aderente, de 0,03mm de espessura média. A superfície da peça deve sofrer um tratamento anterior à metalização, de usinagem, de jateamento e estar livre de óleos, óleos, gorduras gorduras ou graxas. O zinco e o alumínio são cada vez mais empregados para proteger, por esse processo, os metais contra a corrosão. Ensaios em vários meios corroentes permitiram determinar a duração da vida média dos revestimentos como podemos ver na tabela t abela seguinte. Duração de revestimento de alumínio em atmosfera a tmosfera marinha Espessura
Duração média de vida
(mm)
(anos)
0,15 a 0,20
5 a 10
0,20 a 0,25
10 a 20
0,25 a 0,30
20 a 40
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Tecnologia dos Materiais Proteção dos metais por revestimentos não-metálicos O objetivo desse tipo de proteção é evitar que os meios agressivos ataquem as superfícies das peças. Revestimentos orgânicos São os óleos e graxas normalmente empregados na proteção de peças de aço cujas superfícies são acabadas e brilhantes, tais como, instrumentos de medição, roscas, etc. Os óleos e as graxas não devem conter ácidos, para não atacarem as superfícies metálicas. Pinturas e vernizes Pintura é um revestimento que, aplicado a uma peça, confere-lhe determinadas propriedades estéticas e protege sua superfície contra a oxidação e corrosão. A pintura dever ser flexível e aderente (de forma que acompanhe as possíveis deformações da peça), impermeável e resistente a choques, resistente aos agentes corroentes e ela deve penetrar o máximo possível nas depressões ou reentrâncias do material. Freqüentemente é necessário um revestimento intermediário entre o material e a pintura. Esse revestimento é vulgarmente conhecido como zarcão, que é produzido à base de óxido de chumbo e normalmente diluído em óleo de linhaça. Uma pintura é composta essencialmente de duas partes: Volátil São os solventes que desaparecem por evaporação durante a secagem. Seu objetivo é fornecer à pintura um grau de fluidez que permita sua aplicação em finas camadas.
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Tecnologia dos Materiais Não-volátil É a parte que forma uma película após a secagem. É composta de dois elementos: •
Elementos filmogêneos: formam, durante a secagem, uma película contínua, aderente e resistente.
•
Elementos corantes (pigmentos): dão cor e opacidade à pintura.
Esmaltagem Os esmaltes são vidros (borossilicatos de Ca, K ou Pb) tornados opacos pelo óxido estânico ou pela cinza de ossos. São aplicados sobre o metal decapado. Depois da secagem, a fusão se faz entre 800 a 1 000 0C. Devem ter um coeficiente de dilatação igual ao do metal recoberto e convêm somente para as peças rígidas ou maciças que não devem sofrer deformações (recipientes para a indústria química e tinturaria, utensílios de cozinha, etc.). Modificação química da superfície do metal Fosfatação A peça de aço desengordurada é mergulhada numa solução de fosfato ácido de manganês ou de zinco a 1000C. O aço é atacado. Forma-se, então, um depósito de fosfatos de ferro ±0,01mm (nomes comerciais: parquerização, bonderização). Uma pintura precedida de fosfatação eleva consideravelmente a resistência a corrosão de uma peça. Oxidação anódica do alumínio (anodização) As peças de alumínio a oxidar são colocadas no ânodo (+) de uma bacia para eletrólise; o catodo é uma placa de chumbo, conforme figura a seguir.
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Tecnologia dos Materiais
Oxidação anódica do alumínio
O banho é de ácido sulfúrico. O oxigênio nascente formado no ânodo dá uma camada protetora de óxido de alumínio (Al 2O3) de 0,04mm. A camada de óxido de alumínio é muito dura e resistente às influências químicas. A camada de óxido formada não é condutora de eletricidade. A profundidade da camada anodizada depende da intensidade da corrente elétrica e do tempo de permanência da peça no banho. Após a anodização, a peça deve ser colocada em água a 900C para diminuir a porosidade da camada de óxido. Se adicionarmos corante a essa água, ele entrará nos poros dando um efeito decorativo à peça. O processo de anodização só pode ser aplicado em peças de alumínio ou de ligas desse metal. Questionário - Resumo 1. Comente os dois grupos de corrosão (uniforme e localizada).
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Tecnologia dos Materiais 2. Quais os fatores que influem na corrosão ?
3. Quais são os tipos de corrosão conhecidos ?
4. Descreva a corrosão eletroquímica.
5. Na proteção dos metais por revestimento metálico, qual é o tratamento preliminar que se deve dar às peças ?
6. Por que razão o estanho não pode ser utilizado para a proteção do aço ?
7. Quais são os três processos usados na metalização das peças ?
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Tecnologia dos Materiais 8. Comente a proteção dos metais por revestimentos não-metálicos (pintura e esmaltagem).
9. Comente a proteção dos metais por modificação superficial do metal a ser protegido (fosfatação e oxidação).
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Tecnologia dos Materiais MATERIAIS PLÁSTICOS Objetivos Ao final desta unidade, o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre: •
Elementos químicos básicos dos plásticos.
Saber Reproduzir conhecimentos sobre: •
Classificação dos termoplásticos, duroplásticos e suas características típicas;
•
Tipos de conformação com materiais plásticos.
Ser capaz de Aplicar conhecimentos para: •
Aplicações dos plásticos em função de suas propriedades.
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Tecnologia dos Materiais Definições básicas Elasticidade Quando submetida a uma carga ou força, uma peça deforma-se e, quando é cessada a carga ou força que sobre ela atua, deve voltar a sua forma ou posição original. Plasticidade Quando submetida a uma carga ou força, uma peça deforma-se permanente e definitivamente, não ocorrendo o fenômeno do retorno como na elasticidade. Isso ocorre quando essa força aplicada é superior ao limite elástico do material. Combinação química orgânica É uma combinação entre carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros compostos, os quais também existem nos organismos vivos. Monômero É a menor unidade molecular do plástico, constitui sua partícula elementar. Polímero É a combinação de monômeros por um processo chamado polimerização, formando uma cadeia. Molécula É a combinação química de dois ou mais átomos. Pode ser separada (decomposta) em átomos através de processos químicos. Macromoléculas Consistem em milhares de moléculas formando grandes fios (macro = grande).
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Tecnologia dos Materiais O que são plásticos ? Plásticos são materiais orgânicos, obtidos através do craqueamento do petróleo, da hulha e do gás natural liquefeito, ao contrário de materiais naturais, como madeira e metal. Plásticos e suas matérias primas
Materiais plásticos são tipos de um vasto grupo de materiais, construídos basicamente, ou em sua maior parte, da combinação entre o carbono e hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros compostos orgânicos e inorgânicos de origem direta ou indireta do petróleo. Os plásticos apresentam-se no estado sólido e líquido pastoso, quando são aplicados sobre eles temperatura e pressão. A matéria-prima utilizada para a fabricação dos plásticos pode ser largamente combinada, resultando novos polímeros que terão propriedades individuais. Alguns plásticos são semelhantes à borracha, enquanto que algumas borrachas, tratadas quimicamente, são consideradas plásticas. Outros plásticos são obtidos a partir de substâncias naturais, como é o caso da celulose e da caseína (proteína extraída do leite).
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Tecnologia dos Materiais Os materiais plásticos não são materiais vulgares, mas, sim, materiais nobres, capazes de substituir muitos outros materiais. O amplo uso dos plásticos, na era moderna, pode ser atribuído, em grande parte, às combinações de propriedades e vantagens somente oferecidas por essa classe de substâncias. O plástico se transforma em qualquer tipo de produto, por ser moldável, versátil, leve, e barato quando comparado à madeira, ao alumínio, ao cobre e ao aço. Ele pode transformar-se em todo tipo de produto, assumindo as mais diversas formas, desde os mais comuns do dia-a-dia aos projetos mais sofisticados, como os plásticos resistentes à temperatura e altamente impermeáveis à corrosão (termofixos em geral), criados para resistir à temperatura das naves espaciais. Os plásticos podem ser transformados em fios, moldados ou laminados, usinados, flexíveis ou rígidos, transparentes ou opacos, incolores ou pigmentados (coloridos), pintados ou metalizados. Demanda no mercado A partir da Segunda Guerra Mundial (1939), aumentou a demanda de plásticos de todos os tipos. Além dos vários tipos de plásticos já existentes, plásticos completamente novos foram introduzidos no mercado. Os anos de guerra tiveram enorme influência no crescimento rápido das indústrias de plásticos já estabelecidas e deram impulso a muitas outras indústrias. O consumo de plástico no Brasil triplicou no período de 1964/70, passando de 84 mil para 252 mil toneladas, chegando a 865 mil toneladas em 1975. A produção mundial tem duplicado a cada cinco anos, sendo que três categorias representam cerca de 60% do consumo total: o cloreto de polivinila (PVC), o polietileno (em alta ou baixa densidade) e o poliestireno. O poliestireno e o PVC têm uso no mercado de embalagens (sacos plásticos, tampas, garrafas), no capeamento de fios e cabos, no revestimento de canais de irrigação, etc. O PVC e o poliestireno estenderam seu uso ao mercado de móveis (capas, forros, acolchoamentos, cadeiras pré-moldadas) e só o poliestireno, ao mercado de eletrodomésticos.
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Tecnologia dos Materiais As fibras sintéticas, plásticos especiais, têm seu consumo voltado para a fabricação de peças de vestuário (tergal, nycron, dracon, orlon), usos domésticos (tapetes) e industriais (cordas e cordonéis para pneus). Também chamadas de elastômeros, as borrachas sintéticas atendem a 70% das necessidades mundiais, no Brasil, sua utilização chega a ser de 80% do total de borracha consumida. Isso por apresentar vantagens sobre a natural, como maior resistência à abrasão e ao calor, mais uniformidade no processamento, fluidez na moldagem e diversidade de tipos. O negro de fumo, por exemplo, é insubstituível na fabricação de certos tipos de borrachas, plásticos e tintas, sendo 90% de sua produção mundial aplicada à indústria de borracha, no setor de pneumáticos. Propriedades comuns de todos os plásticos Todos os plásticos consistem em macromoléculas que possuem como principal elemento químico o carbono (C); por isso, chamam-se também combinações orgânicas. De um modo geral os plásticos apresentam as seguintes vantagens: •
Pouco peso (Y = 0,9 – 2,2g/cm3);
•
Alta resistência à corrosão;
•
Baixo coeficiente de atrito;
•
Baixa condutividade térmica e elétrica;
•
Boa aparência;
•
Facilidade de trabalho;
•
Boa resistência aos álcalis, às soluções salinas e ácidas.
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Tecnologia dos Materiais Entre as desvantagens podemos enumerar: •
Baixa resistência ao calor;
•
Baixa resistência mecânica (σ = 15 – 100N/mm2);
•
Pouca estabilidade dimensional – deformam-se facilmente com qualquer variação de temperatura;
•
Alto coeficiente de dilatação (15 vezes maior que o do aço C);
•
Não resistem aos ácidos concentrados, aos solventes orgânicos e aos hidrocarbonetos.
A obtenção dos plásticos Os produtos básicos dos materiais plásticos são as resinas sintéticas, obtidas através de reações químicas. Polimerização São reações químicas que ocorrem entre moléculas iguais (monômeros) quimicamente não saturadas, que se unem (por rompimento das duas ligações) em longas cadeias, formando macromoléculas (polímeros).
Polimerização
Essas reações não alteram a composição química molecular, portanto, são reversíveis.
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Tecnologia dos Materiais Policondensação São reações químicas que ocorrem entre moléculas iguais ou diferentes (contendo grupos funcionais característicos) que, ao reagirem entre si, originam moléculas mais complexas, com eliminação de água, álcool ou outro composto simples. Essas reações alteram a composição química molecular, portanto, são irreversíveis.
Reação de policondensação (elimina água)
Poliadição É uma reação que ocorre entre moléculas de iguais ou diferentes características funcionais, sem eliminação de nenhum outro elemento.
Poliadição
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200
Tecnologia dos Materiais Um átomo da primeira molécula une-se à segunda molécula. Classificação dos plásticos
Termoplásticos São resinas que amolecem com o calor (superior a 80 0C) e endurecem com o frio. As macromoléculas formam fios (linhas) (figura seguintes) e são ligadas somente pelas forças de coesão e adesão, chamadas de forças de Van der Waals não existindo, portanto, na polimerização uma reação química. Durante o aquecimento essas forças diminuem e as macromoléculas tornam-se móveis. O plástico então amolece e pode ser transformado várias vezes. Os termoplásticos também podem ser soldados.
Estruturas dos termoplásticos
Nas tabelas Propriedades e aplicações dos termoplásticos mais comuns, Características físicas e de transformação dos termoplásticos mais comuns e Comportamento químico de alguns termoplásticos quando em contato com agentes agressivos , apresentamos as propriedades,
aplicações e características físicas e químicas dos termoplásticos mais comuns.
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Tecnologia dos Materiais Duroplásticos (termofixos) São resinas obtidas por policondensação ou poliadição e portanto é uma reação irreversível. As macromoléculas são ligadas quimicamente, através de cadeias laterais formando assim uma estrutura tridimensional difícil de romper (figura ao lado). Os duroplásticos não são transformáveis após a primeira formação. Também não podem ser soldados.
Estrutura dos duroplásticos
O material bruto pode ter a forma líquida ou sólida e é moldado por meio de pressão e calor que são necessários para ocorrer a reação de policondensação ou poliadição. Essas resinas, usualmente, são misturadas com farinha de soja, serragem ou pó de rocha, por motivos econômicos, e com fibras, tecidos, papel e celulose para melhorar as características mecânicas. As resinas termofixas mais usadas são: •
Fenólica
•
Uréica
•
Melamínica
•
Epóxi
•
Poliéster
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Tecnologia dos Materiais Nas tabelas Propriedades e aplicações dos termofixos mais comuns e Características físicas e de transformação dos duroplásticos mais comuns apresentamos as propriedades, aplicações e características físicas desses duroplásticos. Elásticos São plásticos cujas macromoléculas possuem poucas pontes de redes.
Estrutura dos elásticos
O elemento de formação das pontes é o enxofre, que também é responsável pelo fenômeno da recuperação elástica do material (vulcanização). Estão neste grupo a borracha natural, a borracha sintética e a borracha de silicone. Veja na tabela Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns as propriedades e aplicações desses materiais. Silicone Os silicones diferenciam-se dos demais plásticos em razão da matéria-prima de que são constituídos. Enquanto todos os outros plásticos são constituídos de cadeias de átomos de carbono, os silicones são constituídos de cadeias de átomos de silício. Os silicones são menos ativos quimicamente do que os compostos de carbono e são mais resistentes ao calor.
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Tecnologia dos Materiais São usados como a borracha (veja a tabela Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns , vernizes, graxas e óleos que devem resistir a alta temperatura. São encontrados em
produtos tais como ceras para polimento, tinta, cosméticos, agentes antiespuma e fluidos dielétricos. Propriedades e aplicações dos termoplásticos mais comuns Símbolo DIN
Propriedades
Aplicações
Cloreto de polivinila – Nomes comerciais: Troriplas Vestolit Hostalit Geom. PVC
Boa resistência, tenacidade e dureza, dielétrico.
Tubos, placas, juntas, discos.
Rígido PVC Flexível
Muito elástico, não é indicado para embalagens de Mangueiras, frisos, guarnições, produtos alimentícios. revestimento de fios e cabos elétricos, botas, solas de sapato.
Polietileno – Nomes comerciais: Hostalen Vestolen Polietileno-U Carbide PEHD (alta densidade)
Elevada rigidez – boa dureza superficial, dielétrico, Garrafas, recipientes e vasilhas para uso resistente à ebulição. doméstico, revestimento de fios, conduítes, brinquedos.
PELD (baixa Alta flexibilidade – boa resistência, baixa dureza densidade) superficial.
Frascos flexíveis, saquinhos, embalagens, flores artificiais.
Polipropileno – Nomes comerciais: Hostalen Vestolen P PP
Elevada estabilidade de forma ao calor – resistente Peças de automóveis, vasilhas, a choques – boa dureza superficial – esterilizável a capacetes, brinquedos. 1200C – quebradiço a 00C.
Poliestireno – Nomes comerciais: Polystirol Vestyron OS
Grande rigidez e exatidão de medidas, resistente a Peças para eletricidade e choques. telecomunicações, brinquedos, pratos, xícaras, garrafas, caixas para telefone, rádio e TV.
Policarbonato – Nomes comerciais: Makrolon Lexan PC
Transparente como vidro, alta resistência, estabilidade dimensional até 1400C, antitóxico, inalterável ao tempo.
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Peças para computadores, interruptores automáticos, fotografias: filmes, câmaras, carretéis; copos para filtros, semáforos, faroletes traseiros para carros, capacetes, jarras para água, mamadeiras.
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Tecnologia dos Materiais Poliamida – Nomes comerciais: Ultramid Durethan Nylon PA
Grande capacidade para suportar cargas dinâmicas – dureza e rigidez elevada – resistência aos choques – amortecedor de choques, ruídos e vibrações – resistente à abrasão e ao desgaste – boas propriedades de deslizamento.
Carcaças de aparelhos elétricos, engrenagens, buchas, pás para ventiladores, rotores de bombas – parafusos e porcas – revestimento de cabos e fios, cordas, embalagens para produtos alimentícios.
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno – Nomes comerciais: Novodur Lustran Vestodur ABS
Duro resistente a choques – amortece vibrações acústicas – antitóxico – permite a produção de produtos repuxados a frio a partir de chapas.
Utensílios domésticos: batedeiras, geladeiras; indústria automobilística, grades, indústria radiofônica e fotográfica: caixas para rádio e TV, filmes; caixas e teclados para máquina de escrever e de calcular, brinquedos.
Características físicas e de transformação dos termoplásticos mais comuns
Nome
Abrev.
Temperatura de Densidade Resistência transformação a tração 3 2 g/cm 0 N/m C
Contração de moldagem %
Temperatura máxima no serviço 0
C
Cloreto de polivinila rígido
PVC
1,45
30...50
175 – 200
0,1 – 0,2
65
Cloreto de polivinila flexível
PVC
1,20
10...14
175 – 200
0,2 – 2,0
65
Polietileno alta densidade
PEHD
0,96
25
185 – 220
2,0 – 4,0
120
Polietileno baixa densidade
PELD
0,92
10
150 –175
1,5 – 3,0
90
Polipropileno
PP
0,91
30...40
200 – 220
1,5 – 3,0
140
Poliestireno
PS
1,05
50...75
180 – 210
0,4 – 0,6
80
Policarbonato
PC
1,20
65
240 – 290
0,4 – 0,8
140
Poliamida (nylon)
PA
1,15
60...80
180 – 290
1,0 – 2,5
100
ABS
1,05
180 - 250
0,3 – 0,8
90
AcrilonitriloButadieno Estireno
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Tecnologia dos Materiais Comportamento químico de alguns termoplásticos quando em contato com agentes agressivos PVL
PE
concentrado ácidos fraco
PS
I E
E
concentrado álcalis
PP
E
PC
PA
I E
I
I I
I
I
E
E
E
E
E
E
E
C
E
E
E
E
C
C
E
E
E
E
benzina
E
I
I
I
E
E
E
esteres
I
C
C
I
E
I
éter
I
C
C
I
I
E
I
cetona
I
C
C
I
I
I
I
I
I
I
I
I
E
I
benzol
I
I
I
I
I
E
carburante
I
I
I
I
fraco álcoois óleos minerais graxas
hidrocarbonetos clorados
E
E
E
ABS
E
E
E – Estável I – Instável C – Condicionamento Estável
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Tecnologia dos Materiais Propriedades e aplicações dos termofixos mais comuns Nome Comercial
Propriedades
Aplicações
Resina fenólica fenol formaldeído (PF) Baquelita Reriform
Isolante elétrico – resistência à pressão Plugs, tomadas elétricas, rádios, de 12 a 15kg/mm 2 e resistência à tração TV, caixas para motores pequenos, de 2,5kg/mm2. aspiradores, baterias.
Eshalit Trolitan Corpos para bobinas, pranchas e peças de isolamento elétrico, São resistentes à umidade e se incham tabuleiro de instrumentos. muito pouco quando em contato com graxa ou óleo. Impregnada em papel
Pertinax Repelit Trolitax
Impregnada em tecido Ferroell
São bastante resistente à flexão e têm boa tenacidade.
Engrenagens, buchas, aletas de máquinas pneumáticas, martelos.
Lenax Durcoton Novatext Resitex Celeron Resina uréica – Uréia formaldeído (UF) Beetle Plaskon
É inodora e transparente. Permitindo colorir-se com cores claras, como o branco, etc.
Baquelite
Aparelhos elétricos, peças para lâmpadas, coberturas, cola, pranchas isolantes contra o calor e o ruído.
Resina melamínica – Melamina formaldeído (MF) Melmac Melurac
Características semelhantes à resina uréica – resiste bem a água, calor e ácidos orgânicos.
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As mesmas da resina uréica.
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Tecnologia dos Materiais Resina epóxi (EP) Araldite
Existem variedades desta resina – líquida e sólida, transparentes, incolores e pastosas. Os epóxis são inodoros e sódicos. No estado líquido são venenosos, os vapores irritam a pele, mas endurecidos tornam-se atóxicos. Resistem aos ácidos e a lixívia.
Epirole Epoxim Metallon
Isolação em interruptores, condensadores, conectores e aparelhos elétricos em geral, adesivos para metais, verniz ao fogo. Misturada com quartzo, talco, grafite, obtemos resina para fabricação de moldes de fundição, etc.
Resina do poliéster – Poliéster insaturado (UP) Thermaflow Mylar
É incolor e transparente, mas pode-se obter qualquer cor por meio de corantes. Endurece sob pressão.
Peças de rádio e TV, vidraças de avião, carrocerias de carro.
Kriston
Características físicas e de transformação dos duroplásticos mais comuns
Nome Fenol – Formaldeído
Abreviatura
Densidade g/cm3
Temperatura de transformação 0
C
Temperatura máxima no serviço 0
C
F.F
1,25 – 1,37
149 – 177
160
U.F
1,45 – 1,55
135 – 188
135
M.F
1,40 – 1,55
135 – 188
100
-
1,6 – 2,1
120 – 180
120
E.P
1,2
(baquelita) Uréia – Formaldeído (uréia) Melamina Formaldeído (melamina) Poliéster (com fibra de vidro) Epóxi
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Tecnologia dos Materiais Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns Nome Borracha natural
Propriedades Proveniente da seiva da seringueira (látex), ela é aquecida com enxofre (vulcanização) para tornar-se mais consistente mantendo a elasticidade.
Aplicações Pneus, guarnições, mangueiras.
Não resiste bem a muitos óleos e solventes. Butadieno
-
estireno (SBR)
-
Propriedades semelhantes da borracha natural. Facilidade de produção.
Comumente combinada com a borracha natural e usada nos mesmos produtos.
Um pouco inferior à borracha natural em resistência à tração e resistência ao desgaste.
Polímeros de - Alta resistência ao calor, luz, óleos e a clorobutadieno produtos químicos, boa resistência elétrica. (cloropreno) Não é processado como a borracha natural. (neopreno)
Mangueiras e guarnições para óleo, particularmente para temperaturas altas. Pneus para serviço pesado.
Borracha de silicone
Mangueiras, guarnições, isolantes para fios, etc., que devem resistir a temperaturas extremas.
-
Suporta temperaturas de trabalho até 1500C.
-
Permanece elástica até –700C.
-
Alta resistência a óleos e produtos químicos.
-
O vapor reaquecido destrói a borracha de silicone.
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Tecnologia dos Materiais Materiais obtidos quimicamente de produtos naturais Celulose sintética Fibra vulcanizada, celulóide, celona e celofane.
Fibra vulcanizada Massa específica 1,1 a 1,4kg/dm 3. De cor natural cinzenta, adquirindo comumente as cores marrom, roxa ou preta. Emprego: guarnições, cabos para ferramentas, sapatas para freios. Celulóide Massa específica 1,38kg/dm3 (inflamável). Emprego: placas de proteção, filmes, armação de óculos. Celona Massa específica 1,4kg/dm3 (não facilmente inflamável mas pega fogo). É incolor e transparente mas com o tempo fica amarelada. Emprego: pára-brisas, resinas, armação de óculos, capa intermediária para vidros de proteção.
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Tecnologia dos Materiais Celofane Papel transparente impermeável. Chifre sintético Massa específica 1,3kg/dm3. Esse material é fabricado de caseína (leite desnatado). Pode ser tingido em todas as cores, é insípido e inodoro. Quando se queima, cheira a leite queimado. É fácil de ser usinado e se deixa polir, a 70 0C é fácil de dobrar ou estampar. Emprego: substitui o chifre e o marfim na fabricação de regüetas, réguas de cálculo, cabos para facas e pentes. É conhecido no mercado como Galalit, Berolit, Esbirith. Usinagem de plásticos Devido à baixa condutividade térmica dos plásticos, o calor gerado pelo atrito entre a ferramenta e a peça durante a usinagem não se dispersa, provocando, então, uma combustão nos duroplásticos. Já os termoplásticos amolecem e ficam pastosos, o que dificulta o corte. Portanto, durante a usinagem é muito importante que se faça um bom resfriamento com ar comprimido. Os duroplásticos produzem cavacos curtos e quebradiços, já os termoplásticos produzem cavacos longos e contínuos. As ferramentas a serem utilizadas:
-
Metal duro – tipo K10 ou
-
Aço rápido
Deve-se normalmente utilizar alta velocidade de corte e pouco avanço.
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Tecnologia dos Materiais Características das ferramentas para usinagem de plásticos
Material Duroplásticos com material de enchimento orgânico Duroplásticos com material de enchimento inorgânico
Ferramenta MD
MD
Ângulo de Ângulo de saída folga Processo (γ0) 0 (α )
Avanço mm/rot
Velocidade de corte m/min
Tornear
8
12 – 25
0,1 – 0,3
200 - 250
Furar
6–8
6 – 10
0,1
Serrar
10 – 15
3
Fresar
10 – 20
20 – 25
0,1 – 0,3
200 - 500
Tornear
5–8
0 – 12
0,1 – 0,3
até 40
Furar
6–8
0–6
0,1
20 - 40
Serrar
10 – 15
3
manual
até 1000
60 - 80
manual 2500 - 3000
Fresar PVC
Aço
Tornear
15
0
0,1 – 0,2
200 - 500
Ráp.
Furar
8 – 10
3–5
0,1 – 0,5
150
Serrar
30 – 40
0–8
0,1 – 0,5
3000
Fresar
25 – 30
0 – 25
0,3
até 1000
Poliamida
Aço
Tornear
8 – 10
40 – 50
0,1 – 0,3
200 - 500
(Nylon)
Ráp.
Furar
8 – 15
3–5
0,1 – 0,3
até 100
Serrar
30 – 40
5–8
manual
até 2000
Fresar
25 – 30
25
0,1
até 1000
Aço
Tornear
5 – 10
0–5
0,2 – 0,4
500 - 600
Ráp.
Furar
3–8
3–5
0,1 – 0,4
20 - 50
Serrar
30 – 40
0–8
manual
até 2000
Fresar
25 - 30
0 – 25
0,2 – 0,5
até 1000
Acrílico
Processos de transformação Injeção Na moldagem de materiais termoplásticos aquece-se o material até um estado de fluidez e, em seguida, por meio de pressão, é lhe dada a forma de um molde.
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Tecnologia dos Materiais
Molde para plástico
Finalmente, esfria-se a peça antes de extraí-la do molde. Processo de moldagem por injeção Na moldagem por injeção, a máquina injetora é alimentada com material granulado ou em pó. Se necessário deve ser preaquecido em um cilindro adequado, onde o material se plastifica o suficiente para que possa ser injetado sob pressão em um molde frio e fechado, desse molde podese extrair a peça moldada após o seu resfriamento.
Máquina de moldagem por injeção
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Tecnologia dos Materiais Extrusão A extrusão é um processo extremamente versátil e entre os artigos fabricados por esse processo incluem-se tubos, mangueiras, filmes, folhas, chapas, cabos elétricos, etc.
Extrusão de filmes
Revestimento por extrusão
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Tecnologia dos Materiais A seqüência básica de processamento de um termoplástico em máquinas de extrusão é a que segue: a) Fluidificação de matéria-prima, em geral em forma granular. b) Vazão controlada do produto fluidificado através de uma matriz que o molda na forma desejada. c) Solidificação do produto. d) Enrolamento ou corte final. As fases a e b são realizadas realmente na máquina de extrusão, enquanto que as fases c e d podem ser chamadas de acabamento e se realizam em equipamentos auxiliares. A máquina de extrusão em si é constituída de um parafuso de Arquimedes, que gira dentro de um cilindro aquecido, em relação ao qual mantém uma folga muito pequena. Termoformação Na termoformação, uma chapa de plástico amolecida pelo calor recebe uma determinada forma, seja dentro de um molde, seja ao seu redor.
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Tecnologia dos Materiais A termoformação pode ser dividida em três tipos principais: Formação a vácuo Em sua formação mais simples, o método consiste em fixar a folha num quadro ligado à caixa de molde.
A chapa é aquecida até ficar com a consistência de borracha e, por meio de vácuo, é estirada por sobre o molde.
A pressão atmosférica, que existe acima da folha, força-a contra o molde enquanto é resfriada suficientemente para poder manter a sua forma definitiva.
Formação a vácuo (esquema)
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Tecnologia dos Materiais Formação sob pressão ou por pressão É o mesmo caso anterior, com a diferença que se aplica à folha aquecida uma pressão positiva de maior ou menor intensidade. Sopro Aplicado na produção de garrafas. Introduz-se um tubo pré-formado em estado plástico na matriz e injeta-se ar (sopra-se). A figura ao lado mostra a seqüência de formação da peça.
Sopro (esquema)
Calandragem É o processo pelo qual se fabrica uma chapa contínua passando o material amolecido pelo calor entre dois ou mais cilindros. As calandras foram originalmente projetadas para o processamento de borracha, porém, atualmente são utilizadas também para a produção de lâmina dos termoplásticos, especialmente de PVC flexível e para a preparação de revestimentos sobre papel, tecidos, etc.
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Tecnologia dos Materiais
Calandragem (esquema)
Moldagem por compressão Usa-se principalmente na fabricação de produtos, basicamente de plásticos termofixos, embora possa ser também facilmente aplicada aos trabalhos com termoplásticos.
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Tecnologia dos Materiais Moldagem por transferência É um processo em peças que possuem muitos detalhes. O processo consiste no carregamento de uma certa quantidade de pó de moldagem em uma câmara aquecida, fora do molde, onde atinge um estado suficientemente plástico que permite sua passagem (sob pressão) através de uma abertura adequada, para dentro de um molde, fechado desde o início.
Questionário – Resumo 1. Quais são as vantagens e as desvantagens apresentadas pelos plásticos em geral ?
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