Metais Ferrosos e Não Ferrosos EMC 6715 Volume III

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACurso de Graduação em Engenharia de Materiais

Metais Ferrosos e Não Ferrosos – EMC 6715

Volume III

Professor: Antonio Pedro Novaes de Oliveira

Aços para ferramentas e matrizes

Aços para ferramentas e matrizes, de maneira geral, são aços utilizados paratrabalho (corte e remoção de material) e conformação de metais, plásticos emadeira, cerâmicos, rochas, etc. Do ponto de vista composicional, aços paraferramentas e matrizes são aços ao carbono ou aços ligados os quais podem serendurecidos por tratamentos térmicos ou termoquímicos e/ou outro tipo derecobrimento superficial que resulte em endurecimento.Como as propriedades requeridas são especiais, aços para ferramentas e matrizessão, usualmente fundidos em fornos elétricos e passam por rigoroso controlemetalúrgico de qualidade (baixo nível de defeitos internos e superficiais sãorequeridos). Embora sejam uma fração relativamente pequena do total do açoproduzido, estes aços assumem uma posição estratégica já que são usados paraproduzir outros produtos e materiais de engenharia. Algumas aplicações geraisdestes materiais incluem, brocas, laminas de corte, punções, matrizes de extrusão eferramentas de corte. Para algumas aplicações, especialmente onde velocidades decorte extremamente elevadas são requeridas, outros materiais tais como metal duroe cerâmicas são utilizados como será brevemente considerado nas seçõessubsequentes.


A seleção de materiais para ferramentas deve obedecer os seguintes requisitosfundamentais:•Dureza à temperatura ambiente;•Dureza a quente;•Resistência ao desgaste;•Tamanho de grão;•Resistência mecânica e tenacidade;•Temperabilidade;•Resistência à oxidação;•Resistência ao choque térmico;•Estabilidade química e dimensional em alguns casos;•Usinabilidade.


Fatores que possibilitam o atendimento dos requisitos fundamentais dos aços para ferramentas e matrizes:

•Composição química;•Tratamento térmico.


Composição química:

•C – elemento essencial formando carbonetos conferindo dureza à temperaturaambiente e a elevadas temperaturas e resistência ao desgaste (0,40-2,35%C) ;•Si, Mn – desoxidantes e dessulfurante (Mn), melhorando a temperabilidade (Mn),0,5-0,6%;•Cr – adicionado principalmente para melhorar a temperabilidade. Aumenta aresistência mecânica, dureza e resistência ao desgaste (5-14%);•V – quando presente atua como desoxidante, controla o tamanho de grão eaumenta a temperabilidade. Forma carbonetos muito duros e estáveis a elevadastemperaturas, contribui para melhorar a dureza a quente (0,25-4,50%);•W – um dos mais importantes elementos de liga nestes aços. Forma carbonetos,aumentando as durezas à temperatura ambiente e a quente, 600ºC (1,5-20%);•Co – contribui com o aumento da dureza a quente por solução sólida (5-12%);•Mo – substituto parcial do W.


Tratamento térmico:

Todos os aços para ferramentas e matrizes são utilizados no estado temperado erevenido.

Meios de resfriamento:•Água;•Ar;•Óleo;•Salmoura.


Classificação dos aços para ferramentas e matrizes:

1. Temperáveis em água (W);2. Resistentes ao choque (S);3. Para trabalhos a frio ou indeformáveis;

• De baixa liga temperáveis em óleo (O);• De média liga temperáveis ao ar (A);• De alta liga temperáveis em óleo ou ao ar (D).

4. Aços para trabalhos a quente (H);• Ao Cr (H1 – H19);• Ao W (H20 – H39);• Ao Mo (H40 – H59).

5. Aços rápidos• Ao W (T), W + Co;• Ao Mo (M), Mo + Co.


1. Aços para ferramentas temperáveis em água (W):

C: 0,60 – 1,40%Mn, Si: 0,25%

Alguns aços desta classe podem conter ainda pequenos teores de Cr(0,25-0,50%) e V (0,25-0,50%). T = 200-260°C (amolecimento).

Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005


Aplicações típicas:

os aços ao carbono atualmente são utilizados quase que exclusivamente paraferramentas manuais como limas, serras de fita, cinzéis/talhadeiras, formões,martelos, algumas brocas, tesouras, laminas, punções, plainas, alargadoresmanuais, machos de tarraxas, cossinetes. Os aços com teores menores de carbonodesta classe são utilizados em aplicações onde se requer maior resistência o choquee tenacidade.


2. Aços resistentes ao choque (S):

•C: 0,50%; Mn: 0,25-0,80; Si: 0,25-2,0%; Cr: 1-1,5%; V: 0,20; W: 2,50%; Mo: 0,40-0,50%;•São geralmente temperados em óleo.

Aplicações típicas: Cinzéis, martelos, talhadeiras, manuais ou pneumáticas, brocas paraconcreto e rochas, punções, ferramentas de ferreiro, lâminas de tesouras para corte a frio e aquente, etc...



3. Aços para trabalho a frio ou indeformáveis:São, entre os aços para ferramentas e matrizes, os menos suscetíveis a alterações de forma edimensões durante tratamentos térmicos e por isso são chamados de indeformáveis.

Baixa liga temperáveis em óleo (O):C: 0,9-1,2%; Mn: 0,25-1,6%; Si: 0,25%; Cr: 0-0,75%; W: 0-1,75%; Mo: 0,25% (opcional).Aplicações típicas: matrizes de conformação a frio para pequenas séries, calibres e algumasferramentas de usinagem que não geram elevadas temperatura durante serviço.

Média liga temperáveis ao ar (A):C: 0,7-1,0%; Mn: 0,5-3,0%; Cr: 1,0-5,0%; Mo: 1,0%Aplicações típicas: matrizes de formas complexas, matrizes para laminação de roscas eferramentas de produzir fendas.

Alta liga temperáveis ao ar/óleo (D):C: 1,0-2,25%; Cr: 12,0%; Mo: 1,0%; Co: 3,0%; W: 1,0%Aplicações típicas: matrizes de conformação e corte para grandes séries, matrizes para laminaçãode roscas, moldes para tijolos, revestimentos resistentes à abrasão, calibres, etc..


Aços para trabalho a frio ou indeformáveis: Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005


4. Aços para trabalho a quente (H)São geralmente temperados ao ar/óleo. Apresentam boa tenacidade, resistência ao desgasteregular, usinabilidade regular, boa resistência ao amolecimento pelo calor, boa estabilidadedimensional e grande temperabilidade.

Ao Cr e Cr-Mo (H1-H19)Aplicações típicas:Matrizes para fundição sob pressão, matrizes de forjamento, ferramental para trabalho aquente (extrusão), lâminas de tesouras para corte a quente, punções, etc. São os maisutilizados.

Ao Cr –W e W (H20-H39)Aplicações típicas:Matrizes de extrusão de aços, cobre ou latão, moldes permanentes para fundição de latão,punções para trabalho a quente, matrizes para prensagem e forjamento, etc.

Ao Mo (H40-H59)Aplicações típicas:Aplicações similares aos aços anteriores desta categoria. São os menos utilizados.


Aços para trabalho a quente (H): Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005

Aços para ferramentas e matrizes5. Aços rápidos: São os mais importantes aços para ferramentas e matrizes, apresentam melhor

desempenho a temperaturas elevadas (600°C). Taylor 1890. Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005

Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005Aços rápidos – Dureza a quente:



•Aços rápidos: microestrutura e desenvolvimento da dureza a quente:


Outros materiais p/ ferramentas e matrizes

•Microestrutura de metal duro e dureza emfunção da temperatura incluindo os aços rápidose os cerâmicos.•Produção: WC (~1% é dissolvido no Co) em pó(1-3 µm) + Co (pó) sinterizado (~1550°C) emhidrogênio a temperatura superior atemperatura de fusão do Co (1494°C).

Micrografia de metal duro (WC + Co)

METAL DURO:

Fonte: SMITH, W.F.,1993.


Dureza a quente de metal duro de composição WC +Co (15% e 6% Co),comparada com a do aço rápido.



Composição química e principais propriedades físicas de metal duro conforme norma ISO.



Vida da ferramenta (volume de material removido) em função da velocidade de corte.


Considerações finais:Principais critérios para a especificação de aços para ferramentas e matrizes:


Tipo de operação Principais características Características secundárias

Usinagem Resistência ao desgaste eresistência ao amolecimentopelo calor

Tenacidade e facilidade deretificação

Corte Resistência ao desgaste etenacidade

Segurança e pequenoempenamento na têmpera

ConformaçãoEstiramento

Resistência ao desgaste Usinabiliade e tenacidade epequeno empenamento natêmpera

Extrusão Resistência ao amolecimentopelo calor e resistência aodesgaste

-

Laminação Resistência ao desgaste Resistência ao desgaste

Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V. , 2005

Aços resistentes à corrosão e à oxidação

Aços resistentes à corrosão e à oxidação são aços que resistem a corrosão atmosférica eoutros meios corrosivos líquidos ou gasosos (aços inoxidáveis) e a oxidação a elevadastemperaturas (aços resistentes ao calor ou refratários).A corrosão e a oxidação dos metais a temperaturas acima da ambiente constituem umaimportante causa de perda de peças. A corrosão, neste caso, é combatida por meio da“passividade” natural, isto é, a propriedade de permanecer inalterado no meio circunvizinho. Apassividade é conseguida através da formação espontânea de uma película superficial de óxidode cromo muito resistente, característica dos aços inoxidáveis.A resistência ao calor, por sua vez, está relacionada com a resistência à oxidação à elevadastemperaturas. Assim, nos materiais resistentes ao calor associam-se três características:

•Resistência à corrosão;•Resistência à oxidação à elevadas temperaturas;•Resistência à fluência.


Princípios de corrosão: A corrosão pode ser compreendida como o inverso da galvanoplastia

(processo eletroquímico de oxidação/corrosão forçada). Na prática, entretanto, pares galvânicossão formados, cada qual com potenciais elétricos ou eletroquímicos próprios em contato comum eletrólito (água ou soluções aquosas ou ácidas por exemplo).

Fonte: VAN VLACK, L. H., 1984.


Corrosão/oxidação do ferro:

Anodo: Fe Fe3+ + 3e-

Catodo: 3e- + 3/2H2O + 3/4O2 3(OH)-

Precipitação: Fe3+ + 3(OH)- Fe(OH)3 (passa gradualmente a Fe2O3, ferrugem).

*As tendências de corrosão são referidas ao eletrodo de hidrogênio padrão. A corrosão ocorre somente em um eletrodo do par galvânico, o anodo.



Tipos de células galvânicas ou de corrosão:

Células de composição:

Aço perlítico

Aço zincado a esquerda e aço estanhado a direita.




Células de tensão:

Corrosão em contorno degrão. Contornos atuam comoanodo (maior energia).

Materiais encruados apresentam maior potencial deeletrodo que um material recozido.




Células de concentração:

Células de concentração/oxidação. Locais inacessíveis com baixas concentrações de oxigêniotornam-se anódicas pois a mobilidade de íons metálicos é maior que as dos íons oxigênio.



Aços inoxidáveis:Estes aços adquirem passividade quando certos elementos de liga, sendo os mais importantes ocromo (Cr) e o níquel (Ni) e em menor grau o Cu, Si, Mo, Al, estão presentes. O Cr, de fato, é oelemento mais eficiente (em teores maiores que 10%) na maioria dos meios exceto aquelescontendo ácido clorídrico. A resistência à corrosão/oxidação dos aços inoxidáveis estáfundamentalmente relacionada ao cromo como elemento de liga no ferro.

Passividade de aços carbono einoxidáveis expostos durante 10anos a uma atmosfera industrial.



A passividade depende dos seguinte fatores:

•Composição química: Cr é o principal elemento (10% no min., sendo necessários20-30% para completa passivação). Na seqüência vem o Ni (6-8%) melhora aresistência à corrosão em soluções com cloretos. Mo melhora a resistência à corrosãoem ácido sulfúrico (Cu também) a temperaturas elevadas e na água do mar. Ta, Nb,Ti evitam a corrosão intergranular. Si melhora a resistência a oxidação atemperaturas elevadas.•Condições de oxidação: podem ser utilizados em meios oxidantes como ácidonítrico mas não em meios redutores como em HF e HCl.•Suscetibilidade à corrosão localizada (“pitting): mais prejudicial que ageneralizada, é devida ao Cl-.•Suscetibilidade à corrosão intergranular: pode ocorrer em aços inoxidáveisausteníticos quando aquecidos em trabalho (400-800ºC) devido a precipitação decarbonetos complexos de Cr e Fe em contorno de grão.


Mecanismo da corrosão/oxidação em metais:

• Se a tensão de decomposição do óxido for superior a pressão parcial dooxigênio do ar, não se verifica oxidação. Os metais que assim secomportam são chamados de nobres;

• Se a tesão de decomposição do óxido for inferior que a pressão parcial dooxigênio do ar, surgem duas possibilidades:

• Se o óxido for volátil a superfície metálica fica exposta ao meiocircunvizinho e verifica-se a destruição do metal (é o caso do Mo eoutros metais);

• Geralmente o óxido formado não é volátil, é o caso do Fe, Ni, Cr,Al, Si, etc., cujos óxidos possuem uma tensão de decomposiçãofraca.


Mecanismo da corrosão/oxidação em metais:

• Formada a camada de óxido sobre a superfície metálica, os fenômenosque se seguem dependem principalmente dos volumes relativos do óxidoe do metal que o originou.

• Quando o volume do óxido for menor que o volume do metal que ooriginou a camada de óxido será insuficiente para recobrir o metale será porosa;

• Se o volume do óxido for maior que o do metal atacado a camadaserá compacta e impermeável (Al, Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Si, W).

• No entanto, estas condições não são completamente suficientes paraGarantir uma completa impermeabilização. É necessário que a camada deóxido formada seja constituída de uma única composição, como é o casodo SiO2, Cr2O3 e Al2O3.


Microestrutura de aços inoxidáveis:

Ferrítico Austenítico Martensítico

Tipos de aços inoxidáveis:•Ferríticos;•Austeníticos;•Martensíticos.


Aços inoxidáveis ferríticos: São ferro-magnéticos e são denominados nãoendurecíveis. O carbono é mantido entre 0,08 e 0,35% e o teor de Cr varia emmédia entre 11,5 e 27%. Adições de S e Se (0,07%) melhoram a usinabilidade.

Tipo/AISI Composição química (%)

C Cr Outros

405 0,08 max. 11,5-13,5 Al: 0,10-0,30

406 0,15 max. 12,0-14,0 Al: 3,50-4,50

430 0,12 max. 14,0-18,0 -

430F 0,12 max. 14,0-18,0 P ou S ou Se: 0,07min. Mo ou Zr: 0,60max.

442 0,20 max. 18,0-23,0 -

443 0,20 max. 18,0-23,0 Cu: 0,90-1,25; Si:0,75 max.;Ni: 0,50max.

446 0,35 max. 23,0-27,0 N2: 0,25 max.



Tipo σt(kgf/mm2) σe(kgf/mm2) A (%) HB Resist. ao choque (kgm)

405 42 24 20 160-180 2,8-4,8

406 60 - 25 - -

430 45 24 20-35 130-165 2,1-4,8

430 (temperado)

105 77 3 255-300 2,1-4,8

430 F 49 32 15-30 150-190 2,1-4,8

442 52 32 30-35 150-175 0,7-2,1

446 56 35 25-30 160-185 0,1-1,4

Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis ferríticos:


Aplicações típicas de aços inoxidáveis ferríticos:


Tipo Aplicações e características gerais

405 Não endurecível devdo ao Al; para tubos de irradiadores, caldeiras, recipientes p/industria petrolífera.

406 Não endurecível devido ao Al; resistentes à oxidação a altas temperaturas, pararesistências elétricas.

430 É o tipo mais comum deste grupo podendo ser conformado facilmente; muito usadoem equipamentos para a industria química, equipamentos de restaurantes, cozinhas,adornos de automóveis, decorações arquitetônicas interiores, peças de fornos.

430 F De usinagem fácil; para parafusos, porcas.

442 Para serviços a altas temperaturas, partes de fornos.

443 Alta resistência à corrosão; para equipamento químico e aplicação a altastemperaturas; partes de fornos.

446 Apresenta melhor resistência à corrosão e à oxidação (1150ºC) da classe; peças defornos, queimadores, radiadores.


Aplicações típicas de aços inoxidáveis ferríticos:


http://wwwo.metalica.com.br/tipos-de-aco-inoxidavel

https://pt.made-inchina.com/co_spezilla/product_Ferritic-Stainless-Steel-Tube-409-409L-410-420-430-431-439-440-441-444-446-_eenrernig.html


Aços inoxidáveis austeníticos: São os mais importantes dentre os aços inoxidáveis,apresentando simultaneamente Cr (16-26%) e Ni (6-22%). O carbono é mantidobaixo (0,08%) até 0,25% max., para maiores teores de Cr (22-26%) e Ni (12-22%).O tipo mais conhecido é o AISI 304 (18-8), 18%Cr e 8%Ni. São não magnéticos,não endurecíveis por tratamentos térmicos (endurecem quando são encruados-austenita transforma-se em ferrita supersaturada de carbono). Nestes aços podeocorrer a corrosão intergranular a qual pode ser eficientemente combatida com aadição de Ti (5x %C) ou Nb (10x %C).



C Cr Ni Outros

301 0,08-0,20 16,0-18,0 6,0-8,0 Mn: 2,0 max; Si: 1,0 max.

302 0,08-0,20 17,0-19,0 8,0-10,0 Mn: 2,0 max; Si: 1,0 max.

304 0,08 max. 18,0-20,0 8,0-11,0 Mn: 2,0 max; Si: 1,0 max.

309 0,20 max. 22,0-24,0 12,0-15,0 Mn: 2,0 max; Si: 1,0 max.

309 S 0,08 max. 22,0-24,0 12,0-15,0 Mn: 2,0 max; Si: 1,0 max.

310 0,25 max. 24,0-26,0 19,0-22,0 Mn: 2,0 max; Si: 1,5 max.

316 0,10 max. 16,0-18,0 10,0-14,0 Mo: 2,0-3,0%; Mn: 2,0 max; Si:1,0 max.

Principais aços inoxidáveis austeníticos - composição química:



Corrosão intergranular em aços inoxidáveis auteníticosPrecipitação de carbonetos de cromo (400-800ºC) :

Formas de combater a corrosãointergranular:•Solubilização dos carbonetos de Cr;•Redução do teor de carbono dosaços;•Manter tamanho de grão pequeno;•Deformação a frio apóssolubilização;•Adição de Ti, Ta, Nb (maneira maiseficiente).

Fonte: CALLISTER, W. D., 2002.




301 70 28 50-60 155-175 9,7-15,2

302 60 24 50-60 140-160 9,7-15,2

304 60 21 50-60 140-160 9,7-15,2

309 63 28 45-50 165-185 9,7-15,2

310 63 28 45-50 165-185 6,9-13,8

316 56 24 50-60 140-160 9,7-15,2

Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis austeníticos:




301 Aplicações gerais; boa trabalhabilidade; ornamentação, utensílios domésticos, finsestruturais, equipamento para a industria química, naval, fabricação de alimentos,transporte.

302 Idem ao anterior, para aplicações decorativas ou de resistência à corrosão.

304 Soldável com menor perigo (baixo carbono) de corrosão intergranular com mesmasaplicações dos aços anteriores (301 e 302).

309 Boa resistência à oxidação e mecânica à altas temperaturas; para equipamentos daindustria química, peças de fornos, estufas.

309 S Devido ao baixo carbono é melhor soldável, com menor risco de corrosão intergranular.

310 Boa estabilidade nas temperaturas de solda; eletrodos de solda; equipamentos para aindustria química, peças de fornos e estufas, resiste à oxidação até temperaturas de 1050-1100ºC.

316 Melhor resistência à corrosão química; equipamentos da industria química e da industria dopapel.

Aplicações típicas de aços inoxidáveis austeníticos:



Aplicações típicas de aços inoxidáveis austeníticos:

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Aços inoxidáveis martensíticos: São ligas Fe-C-Cr contendo 0,15 a 1,20% de C e 11,5 a18,0% de Cr. Algumas categorias destes aços contêm pequenas quantidades de Ni eoutros elementos de liga. Estes aços tornam-se martensíticos e portanto endurecemapós têmpera. Conforme a composição química (tabela do próximo slide) este aços sãodivididos em três classes principais:•Aços de baixo carbono, denominados tipo “turbina”;•Aços de médio carbono, denominados tipo “cutelaria”;•Aços de alto carbono, denominados tipo “resistente ao desgaste”.

As principais características destes aços são:•São ferro-magnéticos;•Facilmente trabalhados a frio e a quente, quando o %C for baixo;•Apresentam boa resistência à corrosão em diversos meios mesmo com teoreselevados de carbono compensados por maiores teores de Cr e adições de Ni;•Apresentam baixa suscetibilidade de precipitação de carbonetos em contorno de grãojá que são temperados.



C Cr Ni Outros

403 0,15 max. 11,5-13,0 Mn: 1,0 max; Si: 0,5 max.

410 0,15 max. 11,5-13,5 Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

416 0,15 max. 12,0-14,0 P ou S ou Se: 0,07 min. Mo ou Zr: 0,60 max.Mn: 1,0 max; Si: 0,5 max.

431 0,20 max. 15,0-17,0 1,25-2,50 Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

420 0,15 max. 12,0-14,0 Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

420 F 0,30-0,40 12,0-14,0 P ou S ou Se: 0,07 min. Mo ou Zr: 1,0 max.Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

440 A 0,60-0,75 16,0-18,0 Mo: 0,75 max.; Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

440 B 0,75-0,95 16,0-18,0 Mo: 0,75 max.; Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

440 C 0,95-1,20 16,0-18,0 Mo: 0,75 max.; Mn: 1,0 max; Si: 1,0 max.

Principais aços inoxidáveis martensíticos - composição química:




410 130 98 15 360-380 2,8-6,2

416 130 98 12 360-380 2,8-6,2

431 137 102 17 370-400 4,1-8,3

420 175 158 8 470-530 1,1-2,1

440 A 189 182 5 500-560 0,4-0,8

440 B 196 189 3 520-590 0,3-0,7

440 C 200 193 2 540-620 0,3-0,7

Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis martensíticos

*Têmpera: 925-1075ºC/15-30 min (óleo, ar, água); revenido: 225-400°C/1-3 h.Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V. , 2005


Aplicações típicas de aços inoxidáveis martensíticos:


410 Tipo turbina: aço inox de baixo custo para aplicações gerais, na forma de peças e chapastemperadas ou chapas e tiras recozidas para lâminas forjadas ou usinadas de turbina ecompressor.

416 Tipo turbina de usinagem fácil.

431 Tipo turbina com melhores propriedades mecânicas e de maior resistência à corrosão dentreos tipos martensíticos ou endurecíveis.

420 Tipo cutelaria para instrumentos cirúrgicos, mancais de esfera, válvulas, etc.

440 A Tipo cutelaria e resistente ao desgaste com dureza elevada para instrumentos cirúrgicos,válvulas, mancais antifricção.

440 B Idem ao anterior com maior resistência ao desgaste.

440 C Idem ao anterior com maior resistência ao desgaste.



Aplicações típicas de aços inoxidáveis martensíticos:

http://www.bandservice.com.br/paginas/acoinoxuhb716.html

https://www.linkedin.com/pulse/desenvolvimento-de-fundidos-em-a%C3%A7o-inoxid%C3%A1vel-para-parte-gon%C3%A7alves


Aços resistentes ao calor (aços refratários) são aços que quando expostos demaneira contínua ou intermitente em meios gasosos ou líquidos e à temperaturaselevadas (acima dos 400°C), apresentam capacidade de suportarem, em serviço,solicitações do tipo mecânica e/ou química. Os principais campos de aplicação destesmateriais são as industrias do petróleo e química em equipamentos como fornos,estufas, etc., em turbinas a gás e a vapor, na indústria automobilística, e aeronáutica.À temperaturas superiores aos 400°C, as propriedades normais dos metais como asmecânicas e a resistência à corrosão e à oxidação começam a decair sobretudo aresistência mecânica que, ao longo do tempo, diminui e produz, sob carga constante,deformação conhecida como fluência. A resistência à fluência e as resistências àcorrosão e à oxidação, são, desta maneira, os principais requisitos exigidos dos açosrefratários. Outros requisitos igualmente importantes são a estabilidade térmica eestrutural e a resistência à fadiga. Com relação a composição química estes açospodem ser agrupados, de maneira geral, em duas categorias:•Aços ao cromo: 5-30%Cr;•Aços cromo-níquel: 16-26%Cr; 8-22%Ni* O inox 18-8 (AISI 304) pode ser incluído nesta última categoria.


Aços resistentes ao calor: (>20%Cr)


Alguns aços resistentes ao calor - composição química e temperatura máxima de trabalho:



C Mn Si Cr Ni Tmax. (°C)

403 0,15 max. 1,0 max. 0,5 max. 11,5-13,0 - 705

410 0,15 max. 1,0 max. 1,0 max. 11,5-13,5 - 705

430 0,12 max. 1,0 max. 1,0 max. 14,0-18,0 - 845

442 0,20 max. 1,0 max. 1,0 max. 18,0-23,0 - 955

446 0,35 max. 1,5 max. 1,0 max. 23,0-27,0 - 1095

302 0,08-0,20 2,0 max. 1,0 max. 17,0-19,0 8,0-10,0 900

304 0,08 max. 2,0 max. 1,0 max. 18,0-20,0 8,0-11,0 900

309 0,20 max. 2,0 max. 1,0 max. 22,0-24,0 12,0-15,0 1095

310 0,25 max. 2,0 max. 1,5 max. 24,0-26,0 19,0-22,0 1150

316 0,10 max. 2,0 max. 1,0 max. 16,0-18,0 10,0-14,0 900



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Ensaio de Fluência

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A

B

C

D

Tempo (u.a.)

A (u.a.)

T > 400°CF = cte

FLUÊNCIA

O

O-A: Alongamento inicial comdeformação elástica ou plástica;A-B: Alongamento rápido que diminuide intensidade no final, taxa dedeformação decrescente;B-C: Alongamento aumenta avelocidade constante por um certotempo, taxa de deformação constante;C-D: Velocidade de deformação crescee ocorre a ruptura do material, taxa dedeformação crescente.


Resistência à ruptura à temperaturas variadas:

Temperatura (°C) σt(kgf/mm2)

Aços ao Cr, ferríticos (18% Cr); 0,1% de deformação, 1.000 h – AISI 430/442

525 7,0

600 3,5

700 1,0

750 0,7

Aços ao Cr-Ni, austeníticos (17-26% Cr; 8-22%Ni); 1,0 % deformação, 10.000 h – AISI 310

540 22,0

650 12,0

760 5,0

980 1,4Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V. , 2005


CONSIDERAÇÕES FINAIS:Características/requisitos importantes para os aços resistentes ao calor:

•Aços com granulação grosseira (de maior tamanho) são mais resistentes que os degranulação fina, oposto do que ocorre a temperatura ambiente;•Aços com estrutura bruta de fusão são mais resistentes que os aços trabalhados;•Aços austeníticos são mais resistentes que os ferríticos;•As falhas a altas temperaturas são geralmente intercristalinas/intergranulares aocontrário das falhas transgranulares que ocorrem normalmente à temperaturaambiente;•Na seleção desta classe de aços deve-se observar também as características daatmosfera, isto é, se oxidante ou redutora/carbonetante ou sulfurosa. Em geral osaços Cr-Ni (austeníticos) podem ser utilizados em atmosferas oxidantes ouredutoras e são mais resistentes à fluência ao passo que os ao Cr (ferríticos)resistem melhor a atmosferas oxidantes e são menos resistentes à fluência.

Aços sinterizados – Breve introdução

São aços obtidos pela técnica de metalurgia do pó (P/M). A técnica éaplicada para a obtenção, em grande escala, de peças pequenas (<1,5 kg) comdimensões dentro de estreitas tolerâncias com a possibilidade de obter-sepropriedades mecânicas em faixa de valores comparáveis com as que resultam dosprocessos metalúrgicos via fusão e solidificação em moldes.

Produção de peças sinterizadas de ferro e aço:

•Diferença da metalurgia via fusão e solidificação – Matéria-prima sob a forma depó.

Etapas de fabricação:•Seleção da matéria-prima;•Compactação do pó ou pós em matrizes apropriadas;•Sinterização dos compactos de pós;•Calibração dos compactos de pós ou peças sinterizadas;•Acabamento: usinagem, tratamentos térmicos ou tratamentos superficiais.


Seleção da matéria-prima:•Pó de ferro puro ou pré-ligado;•Carbono na forma de grafite;•Ligantes e lubrificantes;•Elementos de liga.

•Tipos de pó de ferro:•Reduzido;•Atomizado;•Eletrolítico.

Compactação ou compressão:P = 1 a 10 t/cm2 ouP= 100 – 1000 MPa (tipicamente 600-800 MPa)

Produção de ferro esponja

Produção deferro atomizado

Fonte: HUPPMANN, W.J.; DALAL, K., 1986


Tipos de pós conforme processo de fabricação:

Atomizado Esponja/reduzido Dendrítico/eletrolítico


Aços sinterizados – Breve introdução Esquema geral do processo P/M

Matérias-primas + aditivos (Póde Fe + grafite + lubrificante+ elementos de liga)

Mistura

CompactaçãoPreenchimento ejeção

Queima do lubrificante Sinterização Resfriamento

Forjamento Calibração

Acabamento

Peçaacabada



Intervalo de porosidade (%)

Aplicações

> 27,5 Filtros

27,5 – 22,5 Filtros, buchas

22,5 – 17,5 Buchas, peças estruturais

17,5 – 12,5 Buchas, peças estruturais

12,5 – 7,5 Peças estruturais

7,5 – 4,5 Peças estruturais

< 4,5 Peças estruturais obtidas por forjamento de pós

Classificação dos materiais sinterizados de acordo com a porosidade residual(DIN V 30910).



Propriedades mecânicas de aços sinterizados em função da porosidade residual.

Rm = limite deresitência à tração;σbw = Limite deresistência à fadigapor flexão; A =Alongamento; ak =Resistência aoimpacto.



Tipo de pó Pressão de compactação (MPa)

200 400 600 200 400 600 200 400 600

(g/cm3) σt

(kgf/mm2)A (%)

Reduzido (esponja) 5,5 6,2 6,6 9,4 14,0 17,0 2,8 4,9 8,0

Eletrolítico 5,6 6,5 7,0 6,5 15,0 22,0 2,0 6,7 12,0

Resistência mecânica e alongamento em função da pressão decompactação/densidade e do tipo de pó de ferro para compactos sinterizados a1250°C em hidrogênio/2h.



Material C (%)

(g/cm3)Estado σt

(kgf/mm2)A

(%)HB

Aço convencional

0,50 - Temperado em água e revenido a 450°C

84 10 240

Aço sinterizado 0,52 7,47 Sinterizado a 1100°C, temperado em óleo e

revenido a 320°C

59 14 146

Aço convencional

0,62 - Temperado em água e revenido a 450°C

97 9 277

Aço sinterizado 0,64 7,43 Sinterizado a 1100°C, temperado em óleo e

revenido a 427°C

68 13 161

Influência do tratamento térmico nas propriedades de aços sinterizados emcomparação com aços convencionais.



Sinterização:•T = 2/3 a ¾ Tf

•Fe = 1000 a 1200°C (tipicamente = 1100°C)•Aços = 1200 – 1300°C•Necessidade de atmosfera protetora:

•Hidrogênio;•Amônia dissociada;•Propana;•Gás natural, etc.

Recompactação ou calibragem:Ocorre após a sinterização das peças em matrizes diferentes com o objetivo dedefinir dimensões finais, propriedades mecânicas, densidade, acabamentosuperficial.

Pó de ferro atomizado compactado (7,1g/cm3), sinterizado a 1280°C(prorosidade=9,5%). 150x. Fonte:HUPPMANN, W.J.; DALAL, K., 1986.


Acabamento:•Usinagem;•Tratamentos térmicos, como nos aços convencionais;•Tratamentos superficiais tais como oxidação ou tratamentos a vapor, cromeação,fosfatização, etc.

Alternativas do processo de sinterização de peças de ferro e aço:•Dupla compactação ou compressão;•Impregnação metálica;•Forjado sinterizado.


Material Estado (g/cm3) σt

(kgf/mm2)

Fe-4Cu-1,2C Sinterizado 6,63 36,3

Fe-7Cu-1,0C Temperado e revenido

6,48 79,7

Fe-12Cu Sinterizado 7,14 54,2




Propriedades de ligas de ferro sinterizadas e infiltradas:



Consumo de Energia (MJ/kg)

Utilização de material (%)

Utilização de material e energiarequerida para se produzir 1 kg depeças acabadas de aço por 5diferentes técnicas de manufaturaincluindo a metalurgia do pó (P/M).Os valores de energia incluem aenergia de processamento damatéria-prima a partir do minério.

Vantagens de produção em massada P/M:•Menor número de etapas deprodução;•Tolerâncias estreitas obtidas emprodução, evitando operações deacabamento e versatilidade doferramental;•Uso mais eficiente de matérias-primas e energia.

Fonte: HUPPMANN, W.J.; DALAL, K., 1986.

Alumínio e suas principais ligas

O alumínio (Al) é um metal não ferroso (não-tóxico) que possui estrutura CFC, temperatura defusão de 660°C e densidade de 2,70 g/cm3; K= 204 W/mK (aço=52 W/mK); E=70 GPa; = 22,5X 10-6°C-1. Ocupa o segundo lugar no mercado depois do ferro e aço. O rápido crescimento daindustria do alumínio é atribuído a combinação única de suas propriedades e características o queo torna um dos mais versáteis materiais de engenharia e de construção.

O Al é um dos elementos metálicosmais abundantes na crostaterrestre mas ocorre na formacombinada, contendo Fe, Si e O. Abauxita (Al2O3.nH2O) é o principalmineral na produção de Al (48-64% de alumina). A alumina puraé obtida pelo processo Bayer. 5toneladas de bauxita, 2 toneladasde alumina, 1 tonelada de Al. OBrasil tem a 3º maior reserva(Pará). Austrália, Guiné e Jamaicatêm grandes jazidas. Descobertado Al: 1827.


Metal Condutividade elétrica

relativa (%)

Condutividade térmica

relativa (%)

Prata 106 108

Cobre 100 100

Ouro 72 76

Alumínio 62 56

Ferro 17 17

Condutividades elétricas e térmicas relativas do alumínio e outros metais:


Produção de alumínio:


Produção de alumínio:

Al203 (mineral) + 2NaOH 2NaAlO2+H2O(160-70°C)2NaAlO2 + 2H2O Al(OH)3 + NaOHResfriamento a 25-35°C para precipitação do Al(OH)3

Al(OH)3 é lavado e calcinado a 1100°C p/ produzir Al203 (Processo Bayer).A Al203 é então dissolvida em criolita (Na3AlF6) em uma célula eletrolíticaproduzindo Al (Processo Hall).

15 MWh/tAl


Classificação geral:

1º dígito: grupo de liga;2º dígito: modificações da liga original ou limites de impurezas;3º e 4º dígitos identificam a liga de Al ou a pureza do Al. Nas ligas fundidas o 4º dígito indicapeça fundida ou lingote.

H1: Endurecido por deformação plástica (H12-H18) 25-75% redução;H2: Endurecido e parcialmente recozido após encruamento (H22-H28) 25-75% redução;H3: Endurecido e estabilizado (H32-H38), encruamento e reaquecimento p/ estabilizar propriedades mecânicas .T1: Resfriado da temperatura de fabricação e envelhecido naturalmente; T6: Solubilizado e artificialmenteenvelhecido.

https://www.google.com/search?sxsrf=ACYBGNRg8edp

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Características e propriedades mecânicas do alumínio:


Diagrama de estado Al-Si e propriedades:



Microestruturas de ligas de Alumínio-Silício:


0,025%Na


Processamento e microestrutura de ligas de Alumínio-Silício:



Processamento e microestrutura de ligas de Alumínio-Cobre:



Liga %Cu %Mn %Outros Aplicações

2011 5,5 - 0,4 Bi0,4 Pb

Parafusos de máquinas

2025* 4,5 0,8 0,06 Ti0,8 Si

Produtos forjados para aviões

2219 6,3 0,3 0,10 V0,18 Zr

Uso estrutural a baixas temperaturas (criogênicos)

2419** 6,3 0,3 0,06 Ti0,10 V0,18 Zr

Idem ao anterior com maior tenacidade

* Liga 2025 (1926 USA, primeira liga) **Baixos teores de Fe e Si, menores quea liga 2219. A liga 2011 é o padrão de usinabilidade dos alumínios.

Composição química e aplicações de ligas Al-Cu.


Composição química e aplicações de Ligas de alumínio-lítio.

Liga %Li %Cu %Outros Aplicações

2090 2,25 2,70 0,12 Zr0,25 Mg

Estruturas de aeronaves e estruturas de tanques criogênicos, σ=455 MPa, 5% de alongamento

8020 2,0 1,3 0,10 Zr0,95 Mg

Estruturas de aeronaves, elevada resistência à fadiga e tenacidade a baixas temperaturas, σ=465 MPa.

Cobre e suas principais ligas

O cobre (Cu) é um metal não-ferroso que possui estrutura CFC, ponto de fusão de 1084°C edensidade de 8,93 g/cm3; E=110 GPa; K= 372 W/mK (aço=52 W/mK); = 17 X 10-6°C-1. Foi oprimeiro metal utilizado pelo homem (8000 a 4000 a.C). Os minerais mais comuns, emborapossa ser encontrado na forma metálica (nativa), são a calcosita, Cu2S (80%Cu), cuprita, Cu2O,azurita, 2CuCO3.Cu(OH)2 (5-10%Cu), calcopirita, CuFeS2 (34%Cu), malaquita, CuCO3.Cu(OH)2

(5-10%Cu). Ocorrências: Chile, EUA, Canadá, Zâmbia, Congo e Peru.*A água não ataca o cobre mas na presença do ar forma camada de óxido verde (zinabre ouazinhavre) tóxica. Metal básico na indústria de materiais elétricos.

Preços de sucatas, maio/2019• Cobre: R$ 17-19/kg• Alumínio : R$ 3,5-5,0/kg• Aço carbono: R$ 0,30/kg• Aço inox: R$ 2,50/kg


Metal Condutividade elétrica

relativa (%)

Condutividade térmica

relativa (%)

Prata 106 108

Cobre 100 100

Ouro 72 76

Alumínio 62 56

Ferro 17 17

Condutividades elétricas e térmicas relativas do cobre e outros metais:


Produção de cobre:

2Cu2S + 2O2 4Cu + 2SO2, Cu2O (resto)

Reações com C de madeira reduz o Cu2O em Cu (0,5%).


Classificação geral:


Cobre trabalhado-não ligado/propriedades e classificação:

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1GMtPoLOAe17fM:


Cobre eletrolítico tenaz/porosidade gasosa:



Cobre eletrolítico tenaz:



Cobre isento de oxigênio:



Cobre desoxidado com fósforo:


Latões: Ligas cobre + zinco (3-45%Zn) podendo conter elementos de liga (latõesligados), Al, Sn, Si, Mn, Ni, Pb, As <4%. Amplamente utilizado em ambientes emcontato com água, banheiros, barcos, casas próximas ao litoral e cozinhas e tambémna fabricação de materiais elétricos. Pode ser cromado e niquelado: puxadores,acessórios para banheiros, corrimãos, banquetas. As ligas contendo elevados teoresde Zn suportam grandes deformações a frio e são usadas para a fabricação deantenas, conectores, bijuterias, instrumentos de medição.Aplicações típicas:•Armamentos, cartuchos;•Ornamentação;•Tubos de condensadores;•Jóias, bijuterias;•Terminais elétricos;•Tachos e bacias (uso doméstico);•Instrumentos musicais de sopro.

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Propriedades, características e aplicações de latões Cu-Zn:



Microestrutura de latões Cu-Zn:

Fonte: SMITH, W.F., 1993.

Latões + , quando o teor de zincosupera os 39%, apresentam, estruturaduplex (CFC + CCC). O latão destacategoria mais usado é o 60%Cu +40%Zn, Metal Muntz que é difícil de sertrabalhado a frio (baixa ductibilidade)devido a fase beta e assim éessencialmente uma liga excelente paratrabalhos a quente. Pequenas adiçõesde Pb (0,5-3%) melhoram ausinabilidade dos latões. Adições de As(0,04%) ou Al (2%) melhoram aresistência à corrosão(dezinsificação, corrosão preferencialdo Zn) marinha em aplicações navais(condensadores). Outro tipo decorrosão importante é a corrosão sobtensão: Latões , encruados,contendo mais que 15% de Zn emcontato com traços de amônia e emcontato com oxigênio e umidade.Trincas ocorrem em contorno de grãoou no interior dos grãos quando muitodeformados a frio. Tratamento térmicode alívio de tesões ameniza este efeito.


Bronzes: Ligas cobre + estanho (1,25-11%Sn) podendo conter elementos de liga(bronzes ligados), Zn, Al, Ni, P, Pb, Be (2-11%).O estanho melhora a resistência mecânica e adureza sem prejudicar a ductibilidade. Muitoutilizado no campo da escultura. Quando polidoassume a coloração amarela ouro. Suapopularidade se deve a elevada resistênciamecânica e resistência à corrosão atmosférica;facilidade de fundição e capacidade deacabamento. Tem excelentes propriedadesacústicas o que o torna muito utilizada nafabricação de sinos e instrumentos musicais desopro. Grandes canhões e esculturas foramrealizados por meio, principalmente, doprocesso de fundição de cera perdida.

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Características e propriedades de Bronzes Cu-Sn:


Bronzes trabalhados(deformados a frio)são mais resistentesmecanicamente quelatões e têm melhorresistência à corrosão.


OUTRAS IMPORTANTES LIGAS DE COBRE:

Liga Composição Aplicações/propriedades mecânicas.

Cobre-berílio 0,6-2,0% Be, 0,20-2,5% Co

Molas, buchas, válvulas, indústria química, (antifaiscamento), σ=1140-1301 MPa, 10-4% de

alongamento.

Cobre-Níquel 10, 20, 30% Ni Componentes de condensadores e de trocadores de calor, tubulações para água salgada (em alta

velocidade), σ=380-515 MPa, 36-15% de alongamento.

Cobre-níquel-zinco(“prata de níquel”)

17-27% Zn, 8-18% Ni

Parafusos, rebites, peças de microscópios e máquinas fotográficas, molas, aros de óculos, bijuterias em geral (excelente trabalhabilidade e resistência a

corrosão).

Metais nobres

Metais nobres são elementos químicos que apresentam umamenor reatividade quando comparados a outros elementosquímicos de natureza metálica. O ferro, por exemplo, reagefacilmente com o oxigênio, o que não acontece com o elementoouro. Por esse motivo, o ouro é considerado mais nobre que oferro.

Como os metais nobres apresentam reatividade pequena, elespossuem uma maior resistência à oxidação (perda de elétrons)e redução (ganho de elétrons). Os principais elementosconsiderados metais nobres são: ouro, prata, platina,paládio e cobre.

https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/metais-nao-metais-metaloides.htm

https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/elemento-quimico.htm

https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/oxidacao-reducao.htm

https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/oxidacao-reducao.htm

Metais nobres

Resistência à corrosão e à oxidação a altastemperaturas:A propriedade que possuem certos metais e ligas de resistirema corrosão e à oxidação a temperaturas diferentes da ambientedeve-se à formação de uma camada de óxido sobre a superfíciedo metal. Da natureza desse óxido, sua aderência ao metal-base, sua permeabilidade, sua composição química, suaestrutura, seu ponto de fusão e seu ponto de volatilização, éque depende a maior ou menor capacidade do metal resistir àoxidação e ao ataque do meio circunvizinho. A formação dessacamada de óxido é condicionada pela tensão de decomposiçãodo óxido.


Metais nobres

Resistência à corrosão e à oxidação a altastemperaturas:• Se a tensão de decomposição do óxido for superior a pressão parcial do

oxigênio do ar, não se verifica oxidação. Os metais que assim secomportam são chamados de nobres;

• Se a tesão de decomposição do óxido for inferior que a pressão parcial dooxigênio do ar, surgem duas possibilidades:

• Se o óxido for volátil a superfície metálica fica exposta ao meiocircunvizinho e verifica-se a destruição do metal (é o caso do Mo eoutros metais;

• Geralmente o óxido formado não é volátil, é o caso do Fe, Ni,, Cr,Al, Si, etc., cujos óxidos possuem uma tensão de decomposiçãofraca.


Metais nobres

Resistência à corrosão e à oxidação a altastemperaturas:• Formada a camada de óxido sobre a superfície metálica, os fenômenos

que se seguem dependem principalmente dos volumes relativos do óxidoe do metal que o originou.

• Quando o vol. do óxido for menor que o vol. do metal que ooriginou a camada de óxido será insuficiente para recobrir o metale se será porosa;

• Se o vol. do óxido for maior que o do metal atacado a camada serácompacta e impermeável (Al, Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Si, W).

• No entanto, estas condições não são completamente suficientes paraGarantir uma completa impermeabilização. É necessário que a camada deóxido formada seja constituída de uma única composição, como é o casodo SiO2, Cr2O3 e Al2O3.


Metais nobresPropriedades, características e aplicações:

Metal Propriedades e características

Exemplos de aplicações

Ouro (Au) Tf=1064°C, CFC Joias em geral, componentes para a indústriaeletrônica, catalisador (acelerador de reaçõesquímicas), próteses dentárias, etc.

Prata (Ag) Tf=961°C, CFC Componente de ligas diversas para uso emodontologia, soldas, contatos elétricos, bateriasde alta capacidade (Ag-Zn e Ag-Cd). Compostosde prata são usados como bactericidas ecatalizadores. Além disso, são usados tambémcomo joias em geral e objetos de decoração.

Platina (Pt) Tf=1769°C, CFC Contatos elétricos, catalizadores, prótesesdentárias e outros tipos de próteses, termopares(ligas), cadinhos, joias, etc..

Paládio (Pd) Tf=1554°C, CFC Indústria eléctrica p/ contatos eletromecânicos,catalizadores, próteses dentárias, joias.

Cobre (Cu) Tf=1084°C, CFC Indústria elétrica em geral, trocadores de calor,formando ligas importantes com o Sn (bronzes) ecom o Zn (latões) com aplicações ainda naindústria bélica e naval.


Tipo σt (MPa) A (%)

Cobre 50-350 48-6

Latão 90/10 280-430 48-10

Latão 70/30 350-480 57-15

Latão 65/35 350-620 60-15

Bronze 98/2 280-650 45-2

Bronze 95/5 350-950 55-2

Bronze 90/10 440-1000 65-3

Alumínio 26-90 74-25

Al ligado/envelhecido 110-580 35-11

Ferros fundidos 100-700 0-15

Aços estruturais 400-500 10-25

Aços ultra resistentes 2000-3000 6-20

Propriedades mecânicas de latões, bronzes e outros metais:

Considerações finais

Os conceitos aqui apresentados e o aprendizado sobre arelação, principalmente entre a microestrutura e aspropriedades dos principais materiais metálicos de engenharia,serão os meios pelos quais o futuro engenheiro continuarásendo capaz de selecionar materiais adequados para umaaplicação específica.Além disso, é preciso estar atento, pois cada dia que passanovos materiais vão surgindo com diferentes características,propriedades e custos o que torna o processo de seleção e oprojeto de engenharia, ainda que mais versátil, maiscomplexo! Além disso, ferramentas de simulação e previsãoserão cada vez mais frequentes!

Documents

Metais Ferrosos e Não Ferrosos EMC 6715 Volume III