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Aços são ligas ferro-carbono com teor de carbono de até 2% em peso. É de longe o material mais amplamente empregado na fabricação de bens de consumo e bens de produção, nas indústrias, na fabricação de máquinas, veículos automo-tores, na construção civil, etc. O aço é utilizado para fabricar quase tudo, desde uma agulha de costura até tanques de armazenamento de óleo. Além disso, as ferramentas, necessárias para construir e fabricar esses artigos, são também fabri-cadas em aço. Como indicação da importância relativa deste material, a produção mundial de aço em 2009 foi de 1,220 bilhão de toneladas, enquanto a produção do alumínio (segundo metal mais importante na engenharia) foi de somente 38 milhões de tone-ladas. O Brasil produz hoje entre planos e não planos a cifra de 30 milhões de tonela-das e é hoje o nono produtor mundial de aço. As principais razões da popularidade do aço são seu baixo custo de fabri-

cação, de conformação e de processamento, em relação a outras ligas e a abundância das maté-rias primas (minério de ferro e sucata), além da possibilidade de se ter uma faixa sem paralelo de variação de propriedades mecânicas, para aços com diferentes composições químicas ou para um mesmo aço com diferentes tratamentos ter-momecânicos. Existem, no mundo inteiro, milhares de tipos de aços, com composições químicas registradas e patenteadas ou definidas por normas, classifica-

Aço

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dos segundo sistemas de numeração e codificação desenvolvidos em diferentes países, dando cobertura ao enorme número de ligas exis-tentes. Além disso, o número de opções para o consumidor de aço é enorme, pois os aços podem ser oferecidos com diferentes tratamen-tos térmicos, microestruturas, condições de conformação, geometrias e acabamento superficial. Entretanto, os aços podem ser classificados em uns poucos gru-pos maiores, de acordo com sua composição química, aplicações, for-mas e acabamentos superficiais. Com base na composição química os aços podem ser agrupa-dos em três categorias principais: aços carbono, aços de baixa-liga e aços de alta-liga. Os aços carbono são de longe os mais produzidos, constituin-do cerca de 90 % da produção mundial. Eles são geralmente agrupa-dos em aços de alto carbono C>0,5%; médio carbono 0,2% < %C < 0,49%; aços de baixo-carbono com teores entre 0,05% e 0,19%; aços

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de carbono extra-baixo com 0,015% < %C < 0,05% e aços de ultrabaixo carbono com %C < 0,015 %. Os aços carbono são também definidos como contendo me-nos que 1,65% Mn, 0,6 %Si e 0,6% Cu, com o teor total dos outros elementos não excedendo 2%.

As inúmeras aplicações do aço mostram sua enorme versatilidade. Na maior parte das vezes as necessidades do consumidor são atendidas por aços ao carbono não ligados. Como exemplo temos chapas para estampagem de carro-cerias de veículos automotores, utensílios fabricados em aço baixo carbono ou em aços estruturais de médio teor de carbono, placas empregadas na indústria da construção civil e da construção mecânica, trilhos e arames de alta resistência fabricados em aços de alto carbono.A adição de elementos de liga mais caros começa quando se deseja combinação de propriedades impossível de se atingir utilizando os aços carbono.

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Os aços de baixa-liga contêm elementos de liga (Cr, Ni, Mn, V, Mo, etc.) em teores totais menores que 8%. Aços com teores totais de elementos de liga maiores que esse são considerados aços de alta liga. Cerca de 20 elementos de liga, além do carbono, são utilizados na composição química dos aços com o intuito de melhorar suas propriedades. São eles: manganês, silício, alumínio, níquel, cromo, cobalto, molib-dênio, vanádio, tungstênio, nióbio, titânio, chumbo e outros. Muitos desses elementos são adicionados simultaneamente para alcançar propriedades específicas.

Tipos dee sua classificaçãoaço

Os vários tipos de aço utilizados na indústria da construção mecânica podem ser classificados de acordo com o sistema de codificação SAE/AISI que usa em geral quatro algarismos na forma ABXX onde A e B são números que identificam os principais ele-mentos de liga presentes no aço e seus teores, dados em porcentagem em peso. Já os algarismos XX indicam a porcentagem em peso de carbono do aço multiplicado por 100. Assim um aço 1045 é um aço carbono (10XX) contendo 0,45% em peso de carbono em sua composição química. Os aços carbono de médio carbono são utilizados na fabricação de eixos, engrenagens, girabrequins e forjados em geral. Aços de alto teor de carbono (p.e. 1070) são utilizados na fabricação de molas e arames de alta resistência.

TABELA 1 - Sistema de Codificação SAE/AISI

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TABELA 2 - Sistema de CodificaçãoDIN (DIN EN 10027-1)

- Um número que é 100 vezes o teor especificado de carbono;- Uso dos simbolos dos elementos quimicos que indicam os elementos de liga que caracterizem o aço em questão;- A sequência dos símbolos deve estar em ordem decrescente de seu teor; quando o valos dos teores for o mesmo para dois ou mais elementos, os símbolos correspondentes devem ser indicados em ordem alfabética;- Números indicados os teores dos elementos de liga. Cada número representa, respectivamente, a percentagem média do elemento indicação, multiplicação pelos fatores dados pela tabela de arredondados para o mais próximo inteiro, números que se referem a diferentes elementos devem ser separados por hifens;- Exemplo: Aço 37CrS4: Este aço possui 0,37% de carbono, 0,90% de Cromo (4x 0,90% = 3,60%, arredondandp = 4) além de Enxofre.

Elementos

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10

Ce, N, P, S 100

B 1000

Fator

Um aço 5160 é um aço ao cromo contendo de 0,8 a 1,05% Cr e 0,6 % de carbo-no. Aços ao cromo da série 51XX são utilizados na fabricação de molas, barras de torção, parafusos, prisioneiros e necessitam tratamento térmico para alcançar os níveis de resis-tência desejados. A tabela abaixo mostra o sistema de codificação SAE/AISI para os aços de cons-trução mecânica. Algumas vezes aparece a letra B entre os dois primeiros números e os dois últimos o que indica que o aço tem um teor de boro de no mínimo 0,0005% em peso (o boro, quando presente no aço em teores muito baixos, facilita a têmpera do aço, aumentando sua resistência). Quando o teor de carbono excede 1% o sistema admite a utilização de cinco algarismos; por exemplo, o aço comercialmente denominado aço prata tem codificação 52100 o que corresponde a 1,5% Cr e 1% de carbono. O aço prata se destina à fabricação de anéis, esferas e roletes de rolamentos, pois apresenta dureza muito elevada e quando corretamente tratado apresenta elevada resistência à fadiga de contacto.

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O sistema de classificação SAE/AISI pode também conter a letra H depois da numeração, significando que a especificação do aço é feita pela sua temperabilidade e não por sua composição química. Isso quer dizer que a aceitação ou não de um lote deste material está sujeita à uma medida de sua temperabilidade, através de ensaio específico e o não atendimento da composição química dentro da faixa especificada não significa que o material possa ser rejeitado. Assim um aço 5160H pode ter um teor de cromo menor que o mínimo especificado desde que atenda as especifica-ções de temperabilidade A norma DIN alemã utiliza outro sistema de codificação um pouco mais lógi-co, porém de mais difícil memorização, como indicado na Tabela abaixo. O primeiro número corresponde ao teor de carbono do aço multiplicado por 100. Os elementos de liga são identificados por seus símbolos na Tabela Periódica, obedecendo a uma ordem decrescente de teor. Os teores de elementos de liga presentes no aço são da-dos por números que correspondem à multiplicação do teor por um fator que varia com o elemento em questão, sendo os fatores dados na Tabela abaixo. Assim um aço 42CrMo4 tem 0,42% C, 0,9% Cr (4 x 0,9% = 3,6%, arredondando = 4%) e Mo. O sistema de arredondamento é razoavelmente impreciso. Na dúvida po-dem-se consultar Tabelas de equivalência entre a classificação SAE/AISI, o sistema DIN, as normas japonesas, francesas e britânicas, como mostrado a título de exem-plo para o caso de aços tratamento térmico. Os aços para construção mecânica tratados termicamente são destinados à

fabricação de peças e com-ponentes estruturais, tais como: eixos, pinos, engre-nagens, etc. Esse grupo de materiais necessita trata-mentos térmicos de têm-pera e revenimento, aus-têmpera, martêmpera, ou equivalentes, para que as propriedades mecânicas de-sejadas sejam conseguidas. Em geral, estes aços sofrem resfriamento brusco (têm-pera) de uma temperatura elevada para endurecer e posteriormente são aqueci-dos em temperaturas mais baixas (revenimento) para se tornarem mais tenazes.

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A produção de ferro teve início na Anatólia cerca de 2000 AC tendo sido a idade do ferro plenamente estabelecida por volta de 100AC. Nessa época a tecnologia de fabri-cação de ferro se espalhou pelo mundo; cerca de 500 AC chegou às fronteiras orientais da Europa e por

volta de 400 AC chegou à China. Os minérios de ferro eram facilmente encontrados e a outra matéria prima importante para a fabricação do aço, o carvão era bastante disponível. O ferro era produzido em pequenos fornos poço na forma de torrões ou pedaços sólidos, denominado tarugos. Esses eram em seguida forjados a quente na forma de barras de ferro trabalhado, possuindo maleabilidade, contendo, entretanto pedaços de escória e carvão. O teor de carbono destes primeiros aços variava de 0,07% até 0,8% sendo so-mente este último considerado, de fato, um aço. Quando o teor de carbono do aço supera 0,3%, o material se torna muito duro e frágil caso seja temperado (resfriado brus-camente em água) de uma temperatura acima de 850° a 900°C. A fragilidade pode ser evitada ou minimizada por reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350ºC e 500ºC, tratamento térmico denominado revenido. Esse tipo de tratamento térmico era conhecido dos egípcios por volta de 900 AC e constituía a base de uma indústria siderúrgica que produzia um material ideal para fabricação de espadas e facas. Os chineses produziam aços tratados termicamente por volta de 200 AC e os japoneses aprenderam a arte da produção de artefatos em metal dos chineses, embora a indústria japonesa de aço somente tenha aparecido em épocas muito posteriores. Os romanos não introduziram grandes inovações técnicas no processo, embora tenham ajudado a espalhar o conhecimento da tecnologia de fabricação de aços, aumentando muito a produção de ferro trabalhado no mundo romano. Com o declínio do Império Romano, a produção de aço ou ferro trabalhado se estabilizou na Europa até que, no começo do século XV, começou-se a utilizar quedas d’água para insuflar ar nos fornos de fusão. Em conseqüência a temperatura no interior dos fornos passou a ser maior que 1200 ºC, de forma que, ao invés de se formarem torrões sólidos de ferro, obtinha-se por go-tejamento, um líquido rico em carbono: o ferro fundido. Para se obter ferro trabalhado e reduzir o teor de carbono deste ferro fundido, o mesmo era solidificado e em seguida fundido em atmosfe-ra oxidante, utilizando carvão como combustível. Esse processo retirava o carbono do ferro dando origem a um tarugo semi-sólido que após resfriamento era martelado até chegar na forma final.

Ferro e aço na antiguidade

Fabricação do aço

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No início do século 18 começou-se a utilizar coque em lugar do carvão como combustível para o alto-forno e o ferro fundido foi se tornando mais barato e de uso mais generalizado. A Revolução Industrial aumentou muito a demanda por ferro tra-balhado, que era o único material disponível para suportar cargas e esforços de tração. Um dos maiores problemas é que a produção era feita em pequenos lotes. No final do século 18 este problema foi resolvido com a utilização dos primeiros alto-fornos. O alto-forno é basicamente um trocador de calor e de oxigênio em con-tracorrente no qual a corrente ascendente de gases de combustão perde a maior

parte do calor, durante sua trajetória, sain-do pela parte superior na forma de fumos a temperaturas de aproximadamente 200 ºC. Os óxidos de ferro, por sua vez, descem em contracorrente sendo totalmente converti-dos para ferro metálico. O princípio geral de funcionamento do alto forno é que a carga fria (mistura de mi-nério de ferro e coque) entra por cima e é co-locada no topo do empilhamento. À medida que a carga desce, é aquecida pela corrente de ar (pré-aquecido em temperaturas entre 900 ºC e 1350 ºC), enriquecido às vezes, com cerca de 25 % de oxigênio. Próximo à saída inferior do alto forno, na região mais quente, ocorre fusão do ferro e gotejamento de gusa líquido, na saída do forno. Dois subprodutos são formados: escória e gás. A escória e o

gusa acumulam no cadinho e se separam por diferença de densidade, a escória so-brenadando o banho de gusa líquido. O gás que sai pelo topo do forno é composto de mo-nóxido de carbono (CO), di-óxido de carbono (CO2) e principalmente nitrogênio (N2) e após mistura com gás de coqueria é utilizado para pré-aquecer o ar insuflado no alto-forno.

O alto forno

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Reação químicas

As principais matérias primas fonte de ferro, para fabricação do aço, são o gusa líquido, sucata de aço e ferro obtido por redução. O gusa líquido contém entre 3,8 e 4,5 %C, 0,4 a 1,2 % Si, 0,6 a 1,2% Mn, até 0,2% P e até 0,04% S. A temperatura do gusa situa-se entre 1400ºC e 1500ºC. O teor de fósforo depende do minério uti-lizado já que o fósforo não é removido no alto-forno. Já o enxofre é incorporado ao aço a partir do coque metalúrgico utilizado no processo de redução. O ferro obtido por redução direta do minério no estado sólido contém cerca de 3 % de óxido de fer-ro e 4% de outras impurezas, na forma de óxidos e sulfetos. Geralmente é fornecido na forma de briquetes e carregado no alto forno juntamente com a sucata. A sucata é constituída por ferro metálico contendo impurezas como cobre, estanho, cromo, etc, dependendo de sua origem. Existem dois processos principais de fabricação de aço – em conversor a oxigênio ou em forno elétrico. Ambos estão indicados no fluxograma de operações

Refino do gusaMatérias primas

O coque queima na presença de oxigênio (contido no ar insuflado) segundo uma reação de combustão que ocorre próximo da base do alto forno, bem em frente aos so-pradores.

2C + O2 2CO + calor

O calor gerado pela reação é levado para cima, pelos gases ascendentes e transferido para a carga fria. O CO reage com o óxido de ferro da carga, produzindo ferro metálico e CO2:

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 Como a temperatura no interior do forno atinge 1.500ºC, o metal produzido está no estado fundido e desce até a base do forno onde é coletado o gusa. Nem todo o oxigênio é removido através da reação com o CO e algum oxigênio reage diretamente com o carbono em temperaturas mais altas, na parte mais baixa do forno, acima das ventaneiras, segundo a reação:

FeO + C Fe + CO

O amolecimento e a fusão do minério ocorrem nessa região e gotas do metal e da escória pingam e escorrem para o cadinho do alto forno onde é cole-tado o gusa líquido. Quando o cadinho fica cheio destapa-se o furo de vazamento e o gusa escorre através de canaletas para o carro torpedo. O gusa líquido pode sofrer dessulfuração, no interior do carro torpedo, antes mesmo de chegar na aciaria, por reação com a cal segundo a reação:

FeS + CaO CaS + FeO

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Processo de Refino

As principais reações que ocorrem no interior do conversor a oxigênio são a oxidação do carbono para monóxido de carbono, de silício para sílica, manganês para óxido de manganês e fósforo para fosfato:

Entretanto, não há como evitar a perda por oxidação de ferro, simultânea a essas reações:

Reações de oxidação - Conversor a oxigênio

2C + O2 2CO

Si + O2 SiO2

2Mn + O2 2MnO

2P + 5/2 O2 P2O5

2Fe + O2 2FeO

abaixo. O primeiro utiliza gusa líquido e sucata como matéria-prima e o segundo utiliza sucata e gusa sólido. A Figura mostra o fluxograma de operações realizadas no interior de uma indústria siderúrgica, desde o armazenamento de matéria-prima no pátio até o vazamento do metal líquido através de operação de lingotamento contí-nuo, obtendo-se placas e tarugos.

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Os produtos das reações acima (SiO2, MnO, P2O5 e FeO) junto com a cal (CaO) adi-cionada como fluxante formam a escória. A presença da cal é importante para a desfosforação do aço, pois o fósforo vindo do minério de ferro e do calcáreo pode ser removido por reação com a cal:

MP2O5 + nCaO nCaO.mP2O5

A remoção do carbono é feita, também, por oxidação, havendo evolução de gases constituídos principalmente por CO. Antes de sair pelo sistema de exaustão do forno, os gases promovem borbulhamento do banho e garantem a mistura de seus componentes, acelerando as reações químicas em seu interior. Além disso, o borbulhamento por CO promove a purga de hidrogênio e de nitrogênio e aumento a transferência de calor. Com freqüência o carbono é oxidado até teores menores que os especifica-dos para acerto da composição química. À medida que o carbono vai sendo oxidado o teor de oxigênio aumenta segundo uma relação:

% C x % O2 = 0,0025

Isso significa que um aço contendo 0,1% de carbono contém, no equilíbrio, cerca de 0,025% em peso de oxigênio dissolvido ou 250 ppm (partes por milhão). O nível de oxigênio dissolvido deve ser diminuído para evitar a reação com o carbono e a formação de bolhas no lingote fundido, durante a solidificação. Níveis elevados de oxigênio resultam em alta quantidade de inclusões não metálicas, prejudiciais para a maior parte dos produtos siderúrgicos. Geralmente, ao final das operações de refino, os aços são desoxidados com silício na forma de Fe-Si ou Fe-Si-Mn, ou alumínio, elementos forte formadores de óxidos que reagem com o oxigênio formando sílica (SiO2) e alumina (Al2O3). Esses óxidos, de menor densidade, flutuam e são absorvidos pela escória. Entretanto, o movimento de subida é lento e muitos óxidos podem ficar aprisionados no interior dos aços, constituindo as assim chamadas inclusões não metálicas. A desoxidação é importante, também, para garantir bom rendimento durante adição de elemen-tos de liga aos aços ligados. Elementos de liga facilmente oxidáveis como o cromo, titânio, vanádio e outros, exigem baixo nível de oxigênio dissolvido no banho, para minimizar perdas e melhorar o controle do processo. Elementos de liga como níquel, cobalto e molibdênio, que não oxidam facilmente, podem ser adicionados ao banho metálico, ainda no forno, para aproveitar as altas taxas de aquecimento. A maior parte dos elementos de liga é adicionada ao banho, na forma de ferro-ligas, mais baratas que os respectivos metais puros. Por exemplo, pode-se adi-cionar Fe-Si contendo 50, 75 e 90% de silício com teores variáveis de carbono.

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As reações que controlam o processo de refino dos aços em forno elétrico são as mesmas indicadas ante-riormente para o conversor a oxigênio. Utiliza-se o arco elétrico de elevada corrente para fundir a escória e obter aço líquido. O forno elétrico permite um controle mais acurado da temperatura do banho, quando comparado com o processo de sopro de oxigênio (onde o aqueci-mento ocorre devido à liberação de calor das reações de oxidação). Isso permite adicionar teores mais elevados de elementos de liga. Entretanto o forno elétrico não é tão oxidante e a mistura escória-banho não ocorre tão inten-samente. Em conseqüência o teor de carbono é sempre maior que 0,05%. Os aços fabricados em forno elétrico têm, geralmente teores mais elevados de nitrogênio, de 40 a 120 ppm. O nitrogênio, elemento que fragiliza o aço, é absorvido da atmosfera em contato com a superfície do banho metálico, na zona de abertura do arco elétrico. Sua eliminação pode ser conseguida com operações adi-cionais de injeção de CO ou argônio, ou através da apli-cação de vácuo nas operações de refino secundário.

A maior parte da carga dos fornos elétricos é constituída de sucata de aço. Dependendo da conjuntura de mercado utiliza-se de 18 a 25% de gusa sólido no volume da carga fria. A qualidade da sucata tem influência direta na qualidade do aço produzido. Para se obter aços de alta ductilidade deve-se trabalhar com sucata de composição química controlada contendo teores totais máximos de residuais (cobre, estanho, cromo, níquel e molibdênio) da ordem de 0,2%.

Forno elétrico

Metalurgia secundária do ferro O tratamento secundário do aço líquido é feito em panelas de manutenção e transporte. Nessas operações pode-se tirar a escória, aquecer eletricamente ou através de tochas de plasma, resfriar o banho através da adição de sucata fria, injetar pó ou arame metálico ou ainda promover agitação pelo borbulhamento de gás ou agitação magnética. O tratamento do aço na panela é uma prática comum nas aciarias, pois re-duz custos ao utilizar o forno elétrico como equipamento de fusão rápida, sendo o ajuste final de composição química e de temperatura feito na panela. Além disso, devido às características de projeto e de operação, certas reações metalúrgicas ocorrem de maneira mais eficiente na panela. O tratamento dos aços na pane-la consiste em adicionar desoxidantes, dessulfurantes, formadores de escória e

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pequenas quantidades de elementos de liga no jato de vazamento, aproveitando, desta forma, a agitação causada no interior da panela, pelo jato em queda. Esses materiais podem ser colocados, também, no fundo da panela, antes do vazamento. O objetivo destas operações é a eliminação das impurezas oxigênio (O), en-xofre (S), nitrogênio (N), hidrogênio (H) e o fósforo (P). O oxigênio, o enxofre, o fós-foro e o nitrogênio formam compostos denominados inclusões (óxidos, sulfetos, ni-tretos), que quase sempre são prejudiciais para as propriedades mecânicas do aço, diminuindo a plasticidade, a tenacidade, favorecendo a formação de trincas e de defeitos superficiais. O hidrogênio, pode em certas condições causar o aparecimen-to de trincas internas no aço.A desfosforação do aço pode ser feita facilmente nos fornos de fusão (conversor a oxigênio ou forno elétrico). Já a remoção de outras impurezas é mais difícil nestes fornos e o tratamento do aço líquido precisa ser feita em panelas que funcionam como reatores metalúrgicos (Metalurgia de Panela). A obtenção de aços, com ele-vado grau de limpeza e controle acurado de composição química, depende muito das operações de refino secundário, realizados em panelas revestidas com refra-tários especiais, de maior estabilidade química e menor reatividade. As adições de elementos de liga são feitas através de calhas de adição sendo o banho agitado por meio de borbulhamento de gases ou agitação magnética. A temperatura de vazamento deve ser controlada para se otimizar as operações de vazamento e lingotamento. As perdas de calor durante e após enchimento da panela exigem, muitas vezes, a utilização de fornos panela que são pequenos fornos a arco de três eletrodos, como ilustrado na Figura . Em algumas aciarias adiciona-se alumínio na panela para aumentar a temperatura (reação exotérmica) e promover desoxidação do banho. O aquecimento pode ser feito, também, por meio de tochas de plasma. A agitação por borbulhamento de argônio ou por meio eletromagnético melhora a transferência de calor no interior da panela. O borbulhamento por argô-nio ajuda a eliminar as inclusões de alumina, aumentando sua velocidade de subida e a eliminação de gases hidrogênio e nitrogênio. Essas duas técnicas de aquecimento do banho permitem longos tempos de manutenção de panelas cheias e melhoram as condições de operação da unidade de lingotamento contínuo.

Metalúrgica Secundária do ferro

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A maneira mais fácil de solidificar o aço líquido é vazar em moldes de ferro fundido, muito pesados e de paredes grossas, como mostra a Figura. Durante e após vazamento as paredes e a parte inferior do molde extraem calor do banho metálico, formando-se uma casca sólida em volta do banho líquido. Ao término da solidificação extrai-se o lingote sólido da lingoteira metálica. Como o aço sólido ocupa um volume menor que o ocupado pelo aço líqui-do, durante a solidificação, forma-se uma cavidade no topo do lingote, diminuindo o rendimento da operação. Além disso, as paredes desta cavidade podem ser oxida-

das em contato com o ar, impedin-do caldeamento posterior durante a laminação. Essa região deve ser cortada antes da laminação e volta como sucata de recirculação para as operações de refino do aço. Um artifício utilizado para diminuir a formação deste vazio é o de man-ter aquecido o topo da lingoteira fazendo com que a última parte do lingote a solidificar se localize em sua parte superior, ficando o vazio fora da parte útil do lingote.

Lingotamento convencionalLigotamento

O refino secundário em panelas exige equipamentos que possam aquecer o banho, submetê-lo a baixas pressões para extração de gases dissolvidos, possu-am lanças de oxigênio para eliminação de impurezas e calhas de adição de elemen-tos de liga e recursos adicionais que permitam realizar as operações de purificação com qualidade. Estas operações garantem a obtenção de aços com baixos níveis de impurezas fragilizantes e de inclusões não metálicas.

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rolos guia, em seu movimento de descida, para evitar que a pressão ferrostática do líquido dobre a casca. Na medida em que a casca vai fican-do mais espessa, na zona de resfria-mento secundário, os rolos de apoio são maiores e mais espaçados. Nessa zona desenvolve-se a estrutura “bru-ta de fusão” do material. Dependen-do da seção transversal da placa ou do tarugo e da velocidade de lingo-tamento, a zona de resfriamento se-cundário pode ter de 10 a 40 metros de extensão. Ao passar pelo último rolo de sustentação, o tarugo entra em uma mesa de saída e é cortado, ainda em movimento, por tochas oxi-acetilênicas.

Cerca de 80% da produção mundial de aço é obtida através de lingotamen-to contínuo. O lingotamento contínuo consiste no vazamento do aço líquido em um pequeno molde vertical de cobre refrigerado e na extração simultânea da cas-ca solidificada que contém aço líquido em seu interior. Os tarugos, barras e placas assim obtidos são, após operação de corte e re-enfornamento, laminados. O molde, onde ocorre a solidificação do aço, é feito de cobre - metal de alta condutividade térmica – refrigerado com água e oscila verticalmente para evitar adesão da casca solidificada ao molde. O tarugo é suportado por vários

Lingotamento contínuo

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Diferentes perfis podem ser fundidos, dependendo da aplicação e da finalida-de a que se destinam. As operações de fusão, lingotamento e laminação encontram-se cada vez mais vinculadas e perfis com formas quase próximas da final (Near Net Shape) podem ser obtidos com grande eficiência: o tempo total de processamento, desde o metal líquido até o produto final laminado dura em média 2 horas. Os lingotes brutos de fusão possuem estrutura de grãos determinada pelo processo de solidificação. Assim, a estrutura dos tarugos obtidos por lingotamento contínuo é constituída de grãos colunares e grãos equiaxiais grandes. Essa estru-tura será modificada e refinada por operações de conformação a quente do aço durante as quais ocorre deformação plástica e recristalização.

Os processos de conformação transformam o aço solidificado em produtos para construção mecânica. A conformação plástica tem por objetivo, não somente obter uma forma geométrica especifica, mas também, condicionar melhores pro-priedades mecânicas: a estrutura bruta de fusão dos aços apresenta propriedades mecânicas geralmente inadequadas para a maior parte das aplicações. Durante a conformação plástica os cristais grandes e direcionados, presentes na estrutura do aço fundido são quebrados e transformados em milhares de pequenos cristais, fazendo com que o fundido, geralmente frágil, passe a ser dúctil e tenaz. Para con-seguir isso é necessário reduzir a seção transversal do fundido para menos de 1/6 da seção original.

Conformação do aço

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A redução de seção transversal pode ser calculada subtraindo a seção transversal de saída S2 da seção transversal de entrada S1 e dividindo o resultado pela seção de entrada S1:

Um tarugo obtido por lingotamento contínuo, de 13 m de comprimento e sessão quadrada 20 X 20 cm possui uma área de 400 cm2. Para que o laminado tenha boas propriedades de resistência mecânica e tenacidade é preciso reduzir sua seção para no mínimo 1/6 da seção original, ou seja, aproximadamente 66 cm2. O menor diâmetro de barra redonda para se conseguir essa redução é de 9,2 mm. Como, durante a conformação, o perfil mantém o volume original, o comprimento final L2 dividido pelo comprimento original L1 é igual S1/S2. O lingote de 13 m do exemplo acima terá na saída, após laminação para uma barra redonda de 9,2 mm um compri-mento 34, 5m. Por esta razão as linhas de laminação contínuas são muito extensas chegando a atingir mais de 2 km. A maior parte das operações de conformação é feita a quente, em tempe-raturas da ordem de 1.200ºC, na qual a resistência à deformação plástica do aço é muito baixa. A conformação a frio é freqüentemente aplicada como um processo de acabamento de fabricação de arames ou chapas.

Entre todos os processos de conformação existentes - forjamen-to, compactação, estampagem, ex-trusão, etc. - o mais importante é a laminação. Nesse processo, cilindros, operando sempre aos pares, são mo-vimentados em sentidos opostos, com a mesma velocidade e manti-dos a uma distância específica um do outro. O tarugo, esboço ou placa de aço é puxado por atrito no espaço existente entre os cilindros (luz), me-nor que a seção transversal do perfil que está sendo laminado. Os dois cilindros exercem simultaneamente pressão sobre o perfil e deformam continuamente o aço até que saia do outro lado com seção menor, porém com comprimento maior.

% red = (S1 - S2)

S1

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No caso de laminação de chapas é necessário utilizar cilindros de encosto muito pesados que dão apoio a cilindros de laminação menores, pois os cilindros de laminação menores são melhores para laminar produtos planos. Os arranjos de layout podem ser do tipo trem aberto no qual as cadeiras se encontram lado a lado e são movimentadas pelo mesmo motor, acopladas por um mesmo eixo. Esse arranjo é utilizado na laminação de produtos compridos e neces-sita guias ou dispositivos transferidores para movimentar os perfis de uma cadeira para outra. Já o arranjo tandem é o de um laminador contínuo, onde cada cadeira fica à frente da outra e o arranjo permite uma alta produtividade na laminação de qualquer produto. O arranjo contínuo requer, entretanto, a construção de trens de laminação e galpões muito compridos.

Os componentes básicos de um laminador estão mostrados na figura ao lado. Consiste de uma estrutura pe-sada denominada gaiola na qual estão montados os cilindros laminadores. A distância entre os cilindros de lamina-ção (luz) é regulada por meio de um parafuso que movimenta os cilindros verticalmente, possibilitando variar o grau de redução. Existem também uni-dades de laminação compactas (C) que não possuem gaiolas, freqüentemente

utilizadas em laminadores “tandem”. Têm a vantagem de permitir troca rápida de cilindros para reparos ou devido à mudança de programação de laminação. Os cilindros são movimentados por um ou mais motores elétricos acopla-dos a redutores e engrenagens. Dependendo do produto laminado existem cadei-ras de laminação com dois, três, quatro e mais cilindros chamados de cadeira de dois, de três, de quatro cilindros e cadeira planetária.

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A obtenção de diferentes perfis em operações de laminação pode ser con-seguida através da combinação de laminadores horizontais e verticais obtendo-se perfis quadrados e redondos, como mostra as figuras acima. Os fluxogramas que seguem mostram o fluxo de fabricação de chapas, tu-bos, barras e perfis a partir de blocos, tarugos e placas e o detalhamento, corres-pondente ao ciclo de produção específico para obtenção de barras, a partir de tarugos lingotados continuamente, em aciaria de forno elétrico.

Módulo 1

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O desempenho em serviço dos aços depende de suas pro-priedades mecânicas. Cada aço, em função da sua composi-ção química e da forma como foi processado, possui proprie-dades mecânicas características. O conjunto de propriedades mecânicas de um aço irá definir como esse material irá se comportar sob as solicitações mecânicas especificadas em projeto para aquele componente. As propriedades mecânicas dos aços dependem de sua mi-

croestrutura, que é condicionada pela composição química e pela seqüência de tratamentos termomecânicos e tratamentos térmicos utilizados. Essa interdepen-dência entre Processamento, Estrutura, Propriedades e Desempenho do Produto pode ser representada por um tetraedro que mostra estas ligações.

Propriedades

e ensaiosMecânicas

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As propriedades mecânicas dos aços podem ser avaliadas por meio de diferentes ensaios: tração, compressão, dureza, ensaio de impacto, etc. De todos os ensaios usados para avaliar as propriedades mecânicas dos aços, o mais útil é o ensaio de tração simples, em que um corpo-de-prova é tracionado até a fratura em um intervalo de tempo pequeno. Nesse ensaio a amostra é alongada sob tração uniaxial a uma velocidade constan-te. A carga necessária para alongar o corpo-de-prova é registrada em função do tempo e do alongamento, obtendo-se, desta forma, uma curva carga-alongamento, característica do material ensaiado.

Corpo de prova padrão

Módulo 1

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As curvas obtidas são transformadas em curva tensão-deformação, sendo a tensão definida por:

onde F é a força e Ao é a sua área inicial.A deformação é definida por:

PA

=

li - lo l lo lo

= =

onde l0 é o comprimento inicial e li o comprimento em um determinado instante do ensaio, sendo l a diferença entre o comprimento final e comprimento inicial. Inicialmente o material se deforma elasticamente. Se a carga aplicada ao corpo de prova for retirada, o mesmo volta ao seu comprimento original.

O carregamento do corpo-de-prova e o descarregamento seguem a lei de Hook, em que a tensão aumenta linearmente com a defromação. O co-eficiente E é chamado de módulo de elasticidade.

E=

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O limite de escoamento é definido como a tensão acima da qual ocorre deformação plástica do aço. Em geral é difícil definir com exatidão o ponto sobre a curva onde isso ocorre. Costuma-se utilizar o LE 0,2%, determinado pela interseção de uma reta paralela ao módulo de elastici-dade, traçada a partir do ponto em que deformação é de 0,2%. Ao ultrapassar o limite de escoamento o corpo-de-prova sofre deformação plástica e alongamento, sendo que a tensão aumenta conti-nuamente com a deformação. No ponto em que a tensão atinge o valor máximo de ensaio define-se o limite de resistência – LR. Neste ponto o corpo-de-prova começa a sofrer estricção ou empescoçamento e a defor-mação se concentra em sua região central.

Quando a carga ultrapassa um certo valor o aço começa a se de-formar plasticamente, o que significa que, mesmo após descarregamen-to, fica com uma deformação residual denominada deformação plástica. A curva tensão-deformação obtida, pode ter as características apresenta-das na figura abaixo. Na curva são definidos Limite de Escoamento, Limite de Resistência, alongamento uniforme e alongamento total.

Módulo 1

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A partir do limite de resistência ocorre uma forte redução da seção transver-sal do CDP até a sua fratura. No ponto M da curva, correspondente ao Limite de Re-sistência mede-se, também, o alongamento uniforme (máximo alongamento sem que ocorra estricção do CDP). Finalmente em F ocorra a fratura final do material.

Como exemplo, podemos determinar a partir da curva abaixo os valores de LE, LR, alongamento uniforme e alongamento total, onde LE = 30000 psi = 210 MPa, LR = 60000 psi = 420MPa, EU = 14%, ET = 22%.

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Tenacidade Pode-se comparar o comportamento de dois materiais, um dútil e o outro frágil avaliando a área debaixo da curva tensão-deformação correspondente à ener-gia absorvida até a fratura do material. Esta energia é definida como tenacidade à fratura. Pode-se observar, na Figura, que a energia absorvida no ensaio do material frágil é muito menor que a energia absorvida no ensaio do material dútil. Diz-se, nesse caso, que o material A é mais tenaz.

A medida de tenacidade, entretanto deve ser feita através do ensaio de im-pacto, que consiste em deixar cair um martelo de um pêndulo sobre um CDP pre-viamente entalhado e medir a energia absorvida no ensaio, pela diferença entre a altura inicial e altura final do pêndulo, após a fratura. A medida de energia absorvi-da é lida diretamente no mostrador angular.

Módulo 1

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Os ensaios Charpy podem ser feitos com corpos-de-prova em uma faixa ampla de temperaturas, visando determinar a temperatura de transição frágil-dútil do material.

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Os aços apresentam uma forte variação de tenacidade com a temperatura tornando-se frágeis em temperaturas sub-zero. Aumentando o teor de carbono do aço aumenta a tempera-tura de transição: para um aço com 0,01% de carbono essa temperatura é de -70ºC, para um aço com 0,43% de C a tem-peratura sobe para 0º C e para um aço com 0,63% de C a temperatura de transição chega a 90 ºC.

Módulo 1

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Dureza De todos os ensaios mecânicos de materiais o ensaio de dureza é o mais simples de ser realizado. Consiste na aplicação de uma carga conhecida atra-vés de um penetrador de geometria conhecida e na medição da profundidade de penetração. Existem máquinas que fornecem a dureza diretamente no mostrador. Nas máquinas em que a leitura não é feita diretamente no mostrador é necessário fazer a impressão e medir através de uma lupa ou um mi-croscópio o diâmetro de impressão, para calcular a profundidade de penetração. Há várias escalas de dureza que utilizam geo-metrias de penetradores diferentes e cargas aplica-das diferentes. O quadro a seguir mostra as diferen-tes escalas de dureza usualmente utilizadas.

Ensaio de dureza

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Embora a dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não seja um parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de penetrador, etc…) o ensaio de dureza tem grande importância tecnológica, principalmente no controle de qualidade de rotina. Existem relações empíricas entre a dureza, medida na escala Brinell e o Limi-te de Resistência do aço expresso em MPa, de acordo com a fórmula abaixo:

Essas relações são importantes, pois através de um ensaio mecânico muito simples é possível avaliar a resistência mecânica do aço. Como mencionado na introdução deste módulo, os aços temperados apre-sentam forte aumento de dureza com o aumento do teor de carbono. Os aços nor-malizados e recozidos também, embora a variação de dureza, neste caso, seja me-nor. Ao selecionar um aço para construção mecânica é preciso ter em mente que o aumento da dureza e, consequentemente, da resistência mecânica, são obtidos em detrimento da tenacidade. Aços de elevada dureza possuem, em geral, baixa tenaci-dade impondo restrições à sua utilização.

LR (MPa) = 3,45 x HB

Módulo 1

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Fadiga Os componentes mecânicos de máquinas e equipamentos, veículos e gran-des estruturas, trabalham sob cargas dinâmicas, que variam ao longo do tempo, podendo trabalhar em regime de variação de carga do tipo tração-tração, tração-compressão, flexão-rotativa, etc. Geralmente estes componentes se rompem sob a atuação de cargas bem menores que o Limite de Escoamento e tanto menores quanto maior for o número de ciclos a que o material foi submetido.

A figura mostra um equipamento onde se faz um ensaio para medir o núme-ro de ciclos em que ocorre ruptura de corpos-de-prova submetidos a uma tensão determinada sob condições de flexão rotativa. Pode-se determinar o número de ciclos, para tensões variando em uma am-pla faixa, estabelecendo pares de valores de tensão/ número de ciclos necessários para romper o material.

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Os aços, como outras ligas metálicas, apresentam curvas tensão para rup-tura em fadiga X número de ciclos decrescentes, sendo que a partir de um certo número (entre 106 e 107) a curva se estabiliza em torno de um valor denomina-do Limite de Fadiga. Isso quer dizer que quando o corpo-de-prova é submetido a tensões menores que o limite de fadiga o corpo-de-prova nunca rompe. Esse valor é freqüentemente utilizado como parâmetro no projeto mecânico de máquinas e equipamentos. Já os metais e ligas não ferrosos como por exemplo, o alumínio 2014-T6, não apresentam estabilização nítida da curva Tensão X nº de ciclos e a prática comum é adotar o valor de tensão para ruptura correspondente a 107 ci-clos como limite de fadiga desse grupo de materiais.

Módulo 1

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Prof. Dr. André Paulo Tschiptschin

Prof. Livre Docente Departamento de Engenharia Metalurgica e de MateriaisEscola Politécnica USP

Formado em Engenharia Metalurgica EPUSP - 1972Mestrado em Engenharia Metalurgica EPUSP - 1976

Doutorado em Engenharia Metalurgica - 1983 Livre Docente pela Escola Politécnica USP - 2000

Professor Tiular pela Escola Politécnica USP - 2005

Consultor da Gerdau para especificação de materiais e tratamentos térmicos de componentes de equipamentos desde 2003. Consultor da Tupy Fundições para seleções de materiais e especificações de tratamentos termoquímicos de

ferramental de fundição - 2002

Atividades didáticas:Cursos ministrados - Metalografia e Tratamentos Térmicos, Aços ferramentas, Aços e ferros fundidos resistentes ao desgaste, Metalurgia Física, Ciência dos Materiais.

Publicações:Livro publicado - Metalografia dos Aços - Associação Brasileira de Metalurgia e

Materiais, ABM.Autor de mais de cento e cinquenta trabalhos técnicos e científicos publicados em

revistas e anais de congressos nacionais e internacionais.

Todos os direito reservados e protegidos pela Lei 5.988 de 14/12/1973.Nenhuma parte deste livro, sem autorzação prévia por escrito da Gerdau, poderá

ser reproduzida ou transmitidas, sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros

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