117
0 FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA TECNOLOGIA MECÂNICA DIEGO ALEXANDRE DA ROSA

TECNOLOGIA MECANICA

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TECNOLOGIA MECANICA

0

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA

TECNOLOGIA MECÂNICA

DIEGO ALEXANDRE DA ROSA

Novo Hamburgo, agosto de 2013.

Page 2: TECNOLOGIA MECANICA

1

DIEGO ALEXANDRE DA ROSA

TECNOLOGIA MECÂNICA

Trabalho sobre a tecnologia dos metais, apresentado ao curso de Mecânica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha na disciplina de

Tecnologia Mecânica.

Novo Hamburgo, agosto de 2013.

Page 3: TECNOLOGIA MECANICA

2

RESUMO

Após algum tempo de uso, as ferramentas de corte geralmente se

desgastam, apresentando trincas ou deformações na forma e nas propriedades.

Devido a este desgaste, as ferramentas ao serem colocadas em trabalho

apresentam um rendimento muito ruim e geram problemas como: aquecimento

excessivo, aumento do esforço de corte, o acabamento da peça fica ruim e ocorre o

aumento do tempo de confecção. Por esses motivos, as ferramentas precisam ser

restauradas. As ferramentas de corte requerem, principalmente, afiação.

Em geral, as grandes indústrias tem um setor de afiação de ferramentas

para restaurar o contorno e o perfil de corte das ferramentas desgastadas.

Page 4: TECNOLOGIA MECANICA

3

1.INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4

2 ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO DE REFERENCIA..........................................5

2.1 ÂNGULO DE POSIÇÃO X.....................................................................................5

2.2 ÂNGULO DE PONTA E.........................................................................................5

3. ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO DE CORTE.......................................................5

3.1 ÂNGULO DE INCLINAÇÃO ϒ...............................................................................5

4. ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO DE MEDIDA DA CUNHA CORTANTE.............6

4.1 ÂNGULO DE FOLGA d..........................................................................................6

4.2 ÂNGULO DE CUNHA β.........................................................................................6

4.3 ÂNGULO DE SAÍDA Y...........................................................................................6

5. RAIO DE PONTA rE.................................................................................................7

REFERÊNCIAS...........................................................................................................8

Page 5: TECNOLOGIA MECANICA

4

1.INTRODUÇÃO

Para que seja realizada usinagem de qualquer peça, é necessária a

utilização de ferramentas. A seguir será exposta a tecnologia por trás da afiação de

ferramentas mono cortante, a identificação de seus ângulos e sua padronização que

é universal.

Page 6: TECNOLOGIA MECANICA

5

Produção do ferro - Matérias-primas da indústria Siderúrgica

A importância do ferro é notada desde os primórdios, onde o homem tinha

pouco conhecimento e assim mesmo conseguia trabalhar com o material,

analisando muito pouco suas características, mas já vendo diferença dos principais

materiais usados, para fazer armas e entre outras ferramentas e outros objetos que

necessitavam para sobreviver.

O ferro é um metal cuja utilização pelo homem é muito antiga. As

civilizações antigas de Assíria, Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e mais tarde de

Grécia e Roma já fabricavam, por processos primitivos.

A indústria siderúrgica surgiu no Brasil por volta dos anos de 1930, o aço

além da presença direta nos bens duráveis, é vital na construção de máquinas e

equipamentos que tornam possível à humanidade, gozar dos benefícios e

facilidades pelos bens propostos pelo aço.

O processo clássico e mais usado para a redução do minério de ferro é o do

alto-forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono de alto teor de carbono,

denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado líquido, é encaminhado a aciaria,

onde em fornos adequados, é transformado em aço. Vazado na forma de lingotes, e

logo após são submetidos à transformação mecânica, por intermédio de laminadores

e em outros produtos siderúrgicos importantes, como trilhos, chapas, barras e etc.

Produção do Ferro Gusa, Alto Forno

O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do

ferro. A partir, dos primeiros fornos, foram sendo acrescentadas mudanças técnicas,

que hoje em dia, os fornos produzem até 10.000 toneladas de ferro gusa em 24

horas.

 Consiste essencialmente na redução dos óxidos dos minérios de ferro,

mediante o emprego de um redutor, que é um material à base de carbono, o carvão,

Page 7: TECNOLOGIA MECANICA

6

que atua como combustível e, indiretamente, supridor do carbono para as ligas ferro-

carbono de alto carbono.

O principal produto do alto-forno, o ferro gusa, cuja utilização é feita nas

aciarias, para onde é encaminhado no estado líquido e transformado em aço; O ferro

gusa é ainda utilizado no estado sólido como principal matéria-prima das fundições

de ferro fundido.

O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores

variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre.

De um modo geral, a maioria dos ferros gusas possiveis de serem obtidos

em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composição.

Carbono - 3 a 4,5%

Silício - 0,5 a 4%

Manganês - 0,5 a 2,5%

Fósforo - 0,05 a 2%

Enxofre - 0,2% máx.

Fabricação do Aço

Sendo o ferro gusa, uma liga ferro-carbono em que o carbono e as

impurezas normais ( Si, Mn, P e S ) se encontram em teores elevados, a sua

transformação em aço, que é uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P e S,

correspondem a um processo de oxidação, até chegando a porcentagem desejada

de cada elemento.

Page 8: TECNOLOGIA MECANICA

7

Processos Pneumáticos: Agente oxidante é ar ou oxigênio, o princípio básico

de qualquer dos processos pneumáticos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo,

lateralmente ou pelo topo, com uma lança.

Processo Siemens-Martin: Onde os agentes oxidantes são sólidos contendo

óxidos.

Processo de Redução Direta

Consiste em tratarem-se óxidos de ferro praticamente puros, a temperaturas

usualmente entre 950° a 1050°C, na presença de uma substância redutora,

resultando frequentemente uma massa escura e porosa, conhecida como ferro

esponja.

A redução é realizada, para eliminar o uso do alto-forno, produzindo aço

direto do minério, ou produzindo um material intermediário, a ser empregado como

sucata sintética nos fornos.

Separados em dois tipos de processos:

Que utilizam redutores sólidos: É o tratamento químico de redução de uma

substância mineral com o emprego do gás CO que tem origem numa substância

portadora do elemento carbono.

Que utilizam redutores Gasosos: É o tratamento químico de redução de uma

substância mineral, para a produção de um metal, por meio de um agente redutor

que não inclua os metais e o carbono sólido.

Page 9: TECNOLOGIA MECANICA

8

Processo de fundição contínua

Consiste basicamente em colocar o material em estado líquido dentro de um

molde metálico, resfriado a água, que da passagem livre pelo fundo. Devido ao

contato com as paredes do molde, formando então uma casca sólida, de modo a ter-

se no interior  uma cratera contendo aço líquido.

Produção de metais não ferrosos

Cobre: Os minérios de cobre podem ser sulfetados ou óxidos, além, mais

raramente, do próprio cobre nativo.

Geralmente, o teor do metal contido é muito baixo, de 1 a 3%.

A primeira fase do processo de extração do cobre é a '' concentração '' do

seu minério.

Este é peneirado, britado, moído e submetido ao processo de '' flotação '',

que consiste na adição de água, misturada com produtos químicos adequados. Essa

mistura molha somente as partículas chamadas estéreis, que se decantam,

formando um lodo. Por insuflação do ar, origina-se uma agitação e formam-se

pequenas bolhas de ar onde se fixam as partículas sólidas de sulfeto de cobre que

são levadas para a superfície, flutuando e formando uma espuma rica em cobre.

O material é novamente decantado, obtendo-se, por filtragem final, um

concentrado com teor de cobre entre 15 e 30%.

Depois esse concentrado é levado a um forno de revérbero, juntamente com

fundente, onde se forma a escória, obtendo um sulfeto de cobre e ferro, denominado

mate, logo após o cobre está pronto para ser trabalhado nas proporções desejadas.

Page 10: TECNOLOGIA MECANICA

9

Alumínio: O minério de alumínio predominante é a bauxita, constituída por

um óxido hidratado, óxido de ferro, sílica, óxido de titânio e pequenas quantidades

de outros compostos.

A metalurgia do alumínio compreende basicamente duas fases;

Obtenção da alumina, a partir do minério;

Eletrólise da alumina.

Para obtermos o alumínio, primeiramente a bauxita é britada, moída em

moinhos de bolas.

Ficando um pó, onde esse pó é misturado em um tanque de mistura, com

uma solução de hidróxido de sódio, em um tanque de mistura, com uma solução de

hidróxido de sódio, em um tanque de mistura, com uma solução de hidróxido de

sódio, em um tanque de mistura, com uma solução de hidróxido de sódio,

bombeadas em um recipiente de alta pressão e elevadas temperatura, logo após

passa pelo processo de digestão, que resulta em um aluminato de sódio solúvel.

Completando o processo, a solução é tratada por sedimentação ou decantação e

por filtração sob pressão, de modo a separar os resíduos em suspensão, hidróxido

de ferro impuro contendo grande quantidade de sílica, outras impurezas e uma

pequena quantidade de alumina. Esta última é parcialmente recuperada por

lavagem.

Então é levado a um tanque de resfriamento, onde logo após podendo ser

trabalhado.

Zinco: Seu principal minério é a blenda, sua ganga é de natureza sílico-

calcária, podendo as vezes ter chumbo, sulfeto de cádmio e ferro.

Os minérios são inicialmente concentrados de modo a elevar-se o teor de

zinco para mais da metade, a concentração é realizada por gravidade ou por

flotação.

No processo piro metalúrgico, o minério concentrado sofre uma operação

chamada ustulação, à temperatura de aproximadamente 600°C, com o objetivo de

dê sulfurá-lo.

Page 11: TECNOLOGIA MECANICA

10

Chumbo: Principal minério é a Galena, em que o teor de chumbo varia de 1

a 12% e as impurezas são mais frequentes de natureza silicosa, podem ocorrer a

presença de outros elementos metálicos no minério, como, zinco, prata, cobre,

antimônio, arsênio, bismuto, cádmio, estanho, germânio, ouro, selênio, etc.

De início, a concentração é dada por flotação, resultante em uma

concentração entre 40 e 80% de chumbo, 4 a 15% de zinco e 2 a 3% de cobre.

Logo após, ustulação e sinterização e sintetização, aonde vem como

resultado um aglomerado poroso, em condições adequadas para a operação

seguinte que é a redução; se faz em forno de cuba, onde se introduz o sinterizado,

coque e fundentes. O coque atua como fundente e redutor, a redução é direta e

indireta.

Ligas Ferrosas, Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono

As ligas ferrosas são divididas em dois grandes grupos;

Aços com teor de carbono até 0,2% 

Ferros fundidos, com teores de carbono acima de 0,2%, e raramente

superior a 4%.

Aço carbono: Liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até cerca de

2,11% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes da fabricação.

Page 12: TECNOLOGIA MECANICA

11

Aço-Liga: Contém outros elementos de liga ou apresenta elementos

residuais maiores que a porcentagem normal.

Ferro fundido cinzento: teor de carbono acima de 2% e silício presente em

teores de 1,2 a 3%.

Ferro fundido branco: liga ferro-carbono-silício com teor de silício menor que

o cinzento e que, devido ao silício em menor quantidade, resulta numa fratura de

coloração clara.

Ferro fundido mesclado: caracterizada por composição e condições de

fabricantes de tal ordem que resulta em uma coloração mista entre branca e

cinzenta.

Ferro fundido maleável: Apresenta grafita na forma de nódulos, devido a um

tratamento térmico especial, se submete a um ferro fundido branco.

Ferro Fundido Nodular: Apresenta grafita na forma esferoidal, resultante de

um tratamento realizado no material ainda no estado líquido.

Diagrama Ferro-carbono

É chamado de equilíbrio metaestável porque na realidade, ocorrem

modificações com o tempo, que afastam as reações do equilíbrio estável, com o uso

do diagrama, podemos agrupar aço e ferro fundido com tal forma: 

Page 13: TECNOLOGIA MECANICA

12

Aço eutetóide: teor de carbono é 0,77%

Aço Hipoeutetóide: entre 0 e 0,77%

Ferro fundido eutético: 4,30% teor de carbono

Ferro fundido Hipoeutético: Entre 2,11 e 4,30%

Ferro Fundido hipereutético: acima de 4,30%

DIAGRAMA TRANSFORMAÇÃO TEMPO-TEMPERATURA

Um dos fatores mais importantes que influenciam a posição das linhas de

transformação, ou seja, a própria transformação da austenita, é a velocidade de

resfriamento.

De fato, se aumentar a velocidade, haverá um afastamento das condições

de equilíbrio e as reações de transformação tendem a modificar-se , pois, com a

alteração do reticulado cristalino do ferro gama e ferro alfa, depende da

movimentação atômica, esta não se completa e, em consequência, os constituintes

normais resultantes da transformação da austenita, como a perlita, deixam de

formar-se ou até mesmo podem surgir novos constituintes estruturais.

Page 14: TECNOLOGIA MECANICA

13

TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS DAS LIGAS FERRO-

CARBONO

As ligas ferro-carbono, antes de serem utilizadas na forma de peças, são, na

maioria dos casos, principalmente quando aplicadas em construção mecânica,

submetidas a tratamentos térmicos ou termoquímicos.

Visando modificar as propriedades das ligas, as propriedades mecânicas,

alivio de tensões e restabelecer estruturas.

Recozimento: Remover tensões devidas a tratamentos mecânicos, diminuir

a dureza, aumentar a ductilidade, regularizar a textura bruta de fusão, eliminar

efeitos de qualquer tratamento térmico ou mecânico que o aço já tenha sido

submetido.

Normalização: Os objetivos são iguais os do recozimento, porém, com a

diferença de que se procura obter uma granulação mais fina, e então, melhores

propriedades mecânicas.

Têmpera e Revenimento: Obter estrutura martensítica, o que exige

resfriamento rápido, de modo a evitar-se a transformação da austenita em seus

produtos normais.

Têmpera e revenimento dos ferros fundidos: Aumentar resistência mecânica,

a dureza e a resistência ao desgaste.

Coalescimento: Produção da estrutura esferoidita, assim tendo maior

capacidade de trabalho à frio, aplicado em aços de alto teor de carbono.

Page 15: TECNOLOGIA MECANICA

14

Têmpera Superficial: Endurecimento superficial.

Tratamento isotérmico: Obtenção da estrutura bainita, que é uma estrutura

que, de modo geral, substitui uma estrutura martensítica revenida.

Austêmpera: Aquecimento do aço a temperatura acima da critica e

resfriamento rápido de modo a evitar transformação da austenita.

Martêmpera: Obter martensita, como na têmpera, porém é resfriado em

maior tempo.

Tratamentos termoquímicos: Endurecimento superficial do aço e modificação

parcial de composição química.

Cementação: É o tratamento mais empregado e mais antigo, introdução de

carbono na superfície de aços de baixo carbono.

AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA

É de certo modo, difícil determinar com precisão o que seja aço pra

construção mecânica, portanto, o aço não é empregado apenas na construção

mecânica, como igualmente utilizada em veículos de transporte, em aparelhos

elétricos, etc.

O número de tipos de aço é muito elevado, pois além dos aços

simplesmente ao carbono com teores variáveis de carbono, é muito grande a

quantidade de aços ligados, para facilitar sua seleção, associações técnicas criaram

Page 16: TECNOLOGIA MECANICA

15

uma classificação de acordo com sua composição química, dando origem aos

sistemas SAE e AISI (americanos), DIN (Alemão), ABNT (brasileiro) etc.

ABNT foi baseado no sistema americano, onde os vários tipos de aço com

até 1% de carbono, com os elementos comuns, são indicados por 4 algarismos, os

dois últimos correspondem ao teor de carbono médio e os dois primeiros à presença

ou não de elementos de liga. Assim, toda vez que os dois primeiros algarismos

sejam 1 e 0, trata-se de aços-carbono; a mudança de um desses algarismos, implica

em um novo tipo de aço, exemplos:

1045 - aço-carbono com teor médio de 0,45% de carbono.

4420 - aços ao Ni-Cr-Mo com 1,85% Ni, 0,50% Cr, 0,25% Mo e 0,20% C.

A norma DIN adota critério diferente para classificar os aços, os aços

comuns são indicados pelo símbolo St ( Stahl = aço ) seguido de um algarismo que

corresponde ao valor mínimo de resistência à tração, St42, St35.

FERRO FUNDIDO, FERRO MALEÁVEL, FERRO NODULAR

As ligas ferro-carbono que possuem mais de 2% de carbono são

consideradas ferro-fundido.

Ferro Nodular: Também conhecida com ferro fundido dúctil e caracteriza-se

por excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade. O seu limite de

escoamento é mais elevado de que nos ferros fundidos cinzento e maleável, e

mesmo do que nos aços-carbono sem elementos de liga.

Page 17: TECNOLOGIA MECANICA

16

Ferro Maleável: Resulta em um ferro fundido branco, de composição

adequada, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial de longa duração e

especial.

COBRE E SUAS LIGAS

Os metais não ferrosos ocupam uma posição de destaque na indústria e

representam um campo muito importante na engenharia, principalmente, nos setores

mecânicos, de transportes e elétricos.

Metal Cobre: É um metal vermelho-marrom, que apresenta alto ponto de

fusão e densidade correspondente a 8,9 g/cm³ ( a 20°C ), sendo após prata, o

melhor condutor de calor e eletricidade, tendo sua principal utilização na indústria

elétrica.

Ligas de cobre de baixo teor de liga

liga cobre-arsênio desoxidado com fósforo: Arsênio introduzido em teores

entre 0,013 e 0,050% com objetivo de melhorar as propriedades mecânicas, a

temperaturas acima da ambiente e aumentar resistência a corrosão.

Liga cobre-prata tenaz: Contendo pequena porcentagem de prata, confere

maior resistência mecânica e maior resistência a fluência.

Liga Cobre-Cromo: Com cerca de 0,8% de cromo, presta-se a tratamento de

endurecimento por precipitação, o qual eleva a resistência mecânica.

Page 18: TECNOLOGIA MECANICA

17

Liga Cobre-Zircônio: Endurecida por precipitação, muito utilizada na indústria

elétrica.

Liga Cobre-Telúrio: Alta condutibilidade elétrica, boa usinabilidade,

construção elétrica, confecção de parafusos, porcas, pinos e similares.

Liga Cobre-Enxofre: Aplicação similar à do cobre-Telúrio.

Liga Cobre-Chumbo: Melhor usinabilidade, componentes elétricos,

conectores, chaves e motores.

Liga Cobre-Cádmio-Estanho: Molas, contatos elétricos, cabos condutores,

eletrodos para soldagem elétrica etc.

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

Existe uma grande variedade de ligas de alumínio, sendo difícil adotar uma

nomenclatura e simbologia, a ABNT possui um estágio experimental, ABNT-P-TB-

57.

 O Alumínio apresenta boa condutibilidade térmica e elétrica, não magnético

e baixo peso são suas principais características, dividido em ligas trabalhadas e

ligas fundidas.

Page 19: TECNOLOGIA MECANICA

18

Ligas trabalhadas possuem aplicações típicas, como recipientes para

armazenamentos, folhas, cabos elétricos, utensílios domésticos e culinários, telhas,

equipamentos químicos e processamentos de alimentos, refletores e etc.

As ligas fundidas possuem boa condutibilidade elétrica e térmica, resistência

à corrosão em trabalhos, tratamentos térmicos, confecção de mancais e buchas e

laminação.

CHUMBO, ESTANHO, ZINCO

Chumbo: Um dos metais mais antigos conhecidos pelo homem, apresenta

baixa resistência mecânica, muito mole, maleável e deformável, resistente à

corrosão, sua cor é cinza-azulada, devido à uma repentina formação de película

superficial de óxido e carbonato.

Estanho: Mole, dúctil e maleável, baixa resistência mecânica e elevada

resistência a corrosão, empregado na forma de folhas, chapas e fios laminados e

como elemento base de certas ligas, como algumas para mancais e soldas.

Zinco: Alta resistência à corrosão, porque ao ar úmido produz

espontaneamente uma película protetora de hidrocarbonato; é muito maleável e

pode ser laminado em chapas e estirado em fios, possui boa usinabilidade e

coloração branca azulada.

Page 20: TECNOLOGIA MECANICA

19

OUTROS METAIS E LIGAS NÃO FERROSOS

Níquel: A principal característica é a elevada resistência à corrosão. Isto faz

do níquel um metal adequado para indústrias químicas e de alimentos.

Bastante usado como revestimento anticorrosivo de outros metais, por meio

de galvanoplastia. Pode ser facilmente deformado a frio e soldado. Uma importante

aplicação é como material de resistências elétricas, neste caso em forma de liga

com cobre e manganês ou outros metais.

Ligas de Níquel: Em geral, a presença de níquel em ligas proporciona ou

melhora características como: resistência à corrosão, resistência em altas

temperaturas, propriedades magnéticas e expansão térmica. Nos parágrafos

seguintes, alguns tipos mais importantes.

Magnésio: É um dos metais mais leves, com massa específica de 1,74

kg/dm3, inferior à do alumínio. Entretanto, a resistência mecânica é relativamente

baixa e é comum o uso na forma de ligas com outros metais como alumínio,

manganês, zinco. Elas têm aplicações especiais, nas quais o baixo peso e alta

precisão dimensional são importantes.

A tabela a seguir dá o padrão tradicional de codificação de ligas de

magnésio segundo ASTM.

Primeira Segunda Terceira Quarta parte

Page 21: TECNOLOGIA MECANICA

20

parte parte parte

Duas letras

que indicam os

principais elementos

de liga em ordem

decrescente de

teores. Se esses

são iguais, a ordem

é alfabética.

A - alumínio

B - bismuto

C - cobre

D - cádmio

E - terra rara

F - ferro

G - magnésio

H - tório

K - zircônio

L - lítio

M - manganês

N - níquel

P - chumbo

Q - prata

R - cromo

S - silício

T - estanho

W - ítrio

Y - antimônio

Z – zinco

Dois dígitos

que indicam os

percentuais

arredondados dos

principais elementos

na mesma ordem da

primeira parte.

Letras do

alfabeto que servem

para distinção de

ligas com os

mesmos

percentuais dos

mesmos elementos

principais, à medida

que elas se tornam

padrões usuais e

registrados.

Indica o tipo

de tratamento

térmico.

F - conforme

fabricado

O - recozido

H10 - encruado leve

H11 - encruado leve

H23 - encruado e

recozido

parcialmente

H24 - idem

H26 - idem

T4 - solubilizado

T5 - envelhecido

artificialmente

T6 - solubilizado e

envelhecido

artificialmente

T8 - solubilizado,

trabalhado a frio e

envelhecido

artificialmente

Page 22: TECNOLOGIA MECANICA

21

Exemplo: AZ81A-T4 indica alumínio e zinco com 8% e 1% respectivamente.

A é a ordem de registro e T4 significa tratado por solubilização.

A resistência à corrosão não é das melhores devido ao elevado potencial

eletronegativo. Muitas vezes há necessidade de revestimentos anticorrosivos. Peças

podem ser usinadas, mas com cuidados especiais porque os cavacos incendeiam-

se facilmente.

A produção mundial de magnésio em 2003 foi da ordem de 496.000

toneladas. China é o maior produtor. Grosso modo, pode-se dizer que a metade é

usada em ligas com alumínio. Há outras aplicações importantes, como

dessulfurização de aços, produção de ferros fundidos, reagentes químicos, etc.

Titânio: O metal apresenta uma favorável combinação de elevada resistência

mecânica e térmica, baixa massa específica e alta resistência à corrosão. É usado

em aplicações críticas, onde todas ou algumas dessas propriedades são

necessárias. A principal contrapartida é o alto custo.

Alguns exemplos de aplicação do titânio e suas ligas: construção

aeroespacial turbina a gás (partes fixas e móveis), reatores nucleares, próteses

médicas e implantes dentários, processos químicos e de alimentos, trocadores de

calor para refino de petróleo, etc.

A massa específica é cerca de 4500 kg/m3 e a resistência à ruptura varia de

aproximadamente 480 MPa para alguns tipos comercialmente puros até cerca de

1100 MPa para algumas ligas estruturais ou mesmo 1700 MPa para algumas ligas

especiais.

O titânio puro tem estrutura hexagonal (chamada α), que se transforma em β

(cúbica de face centrada) acima de 882°C. A adição de elementos de liga pode

mudar essa temperatura de transformação e, em vários casos, provocar a retenção

da variedade β sob temperatura ambiente, resultando em ligas com ambas as

variedades ou somente β.

Page 23: TECNOLOGIA MECANICA

22

Ligas tipo α: nome dado ao titânio comercialmente puro, podendo ter

pequena proporção da variedade beta, dependendo da concentração de impurezas

que estabilizam β, como o ferro. Não aceitam tratamento térmico, mas a adição de

cobre permite o tratamento de envelhecimento.

Ligas tipo α-β: alguns elementos de liga (exemplos: ferro, cromo,

molibdênio, vanádio) atuam como estabilizadores da variedade β e a adição dos

mesmos produz ligas de média para alta resistência (600 a 1250 MPa). Podem ser

tratadas mecânica e termicamente, resultando em ligas com propriedades

adequadas para diversas aplicações.

Ligas tipo β: contém proporções de elementos estabilizadores de β para

formar ligas com apenas essa variedade. O trabalho a frio é mais fácil em relação às

anteriores, podem receber tratamento térmico para elevadas resistências e a

resistência à corrosão é melhor que a do metal comercialmente puro.

Alguns exemplos de ligas de acordo com a resistência mecânica.

• Baixa (500 MPa): metal comercialmente puro.

• Média (500-900 MPa): Ti 2,5%Cu.

• Média-alta (900-1000 MPa): Ti 6%Al 2%Sn 4%Zr 2%Mo.

• Alta (1000-1200 MPa): Ti 6%Al 6%V 2.5%Sn.

• Muito alta (>1200 MPa): Ti 10%V 2%Fe 3%Al.

MATERIAIS PARA FERRAMENTAS E MATRIZES

Classificação e seleção dos aços para ferramentas e matrizes:

De acordo com o “American Iron and Steel Institute AISI” os aços para

ferramentas e matrizes podem ser classificados em sete categorias principais:

 

 

Page 24: TECNOLOGIA MECANICA

23

- Aços temperáveis em água, identificados pela letra W;

 

- Aços resistentes ao choque, identificados pela letra S;

 

- Aços-ferramenta para moldes, identificados pela letra P;

- Aços-ferramenta para fins especiais identificados pelas letras L e F ou sem

identificação.

Estes aços podem ser subdivididos nos seguintes grupos:

 

- aços-ferramenta “matriz”;

 

- aços ao tungstênio para acabamento;

 

- aços de alto carbono e baixo teor de liga;

 

- aços semi-rápidos;

 

- aços grafíticos;

 

- Aços-ferramenta para trabalhos a frio, identificados pelas letras O, A, D;

 

Page 25: TECNOLOGIA MECANICA

24

- Aços-ferramenta para trabalho a quente, identificados pela letra H;

 

- Aços rápidos, identificados pelas T e M.

As aplicações podem ser agrupadas em cinco tipos básicos de operação:

- ferramentas de conformação, a quente ou a frio, incluindo aplicações tais

como blocos e insertos de matrizes, ferramentas para forjamento a quente,

ferramentas para prensagem e estampagem profunda, matrizes e punções para

recalque a frio, ferramentas para extrusão e aplicações semelhantes. Devido ao fato

deles serem expostos a elevadas tensões por curtos períodos de tempo durante a

operação, seus característicos principais devem ser, além da resistência ao

desgaste, tenacidade e usinabilidade. As aplicações em serviço de conformação a

quente devem caracterizar-se igualmente por dureza a quente;

 

- ferramenta de corte, incluindo lâminas de tesoura, matrizes de corte em

forjamento e recalque de rebarbação, matrizes para recorde de discos, punções e

aplicações semelhantes. Estão também sujeitas a altas tensões e exigem além de

resistência ao desgaste, alta tenacidade. Exigências secundárias é segurança e

mínimo empenamento na têmpera;

 

- ferramentas para usinagem, incluindo todas as ferramentas empregadas

em máquinas operatrizes, as quais exigem alta dureza à temperatura ambiente e

dureza a quente, além de resistência ao desgaste. Tenacidade é um característico

secundário;

 

- ferramentas para moldes, incluindo aplicações tais como moldes para

plásticos, moldes para fundição sob pressão de metais e ligas de zinco, alumínio e

Page 26: TECNOLOGIA MECANICA

25

cobre e ferramentas para metalurgia do pó (compactação), briquetagem de tijolos e

de materiais cerâmicos;

 

- aplicações miscelâneas, onde se exige alta resistência ao desgaste, como

discos para máquinas de moldar por projeção centrífuga de areia e discos de

esmeris, ou alta tenacidade, como peças de percussão, ou alta dureza, como

calibres, etc.

Para selecionar um aço para ferramenta deve-se considerar, portanto, as

aplicações para as quais as ferramentas são destinadas e, para cada caso, as

propriedades de maior ou menor importância.

Para a maioria das aplicações, os característicos de maior importância são

resistência ao desgaste, tenacidade e dureza a quente.

Outras propriedades, como dureza de trabalho (relacionada com o limite de

escoamento ou limite de elasticidade do aço), profundidade de endurecimento

(relacionado com o característico de tensões internas do aço) e tamanho de grão

são considerados de menor importância para certas aplicações, mas para outros

podem ser relevantes.

 

Para facilitar a seleção de cada aço destinado a uma aplicação determinada,

estabeleceu-se um sistema numérico de 1 (baixo) a 9 (alto) que permite qualificar o

aço em função dos característicos considerados de maior importância, ou seja,

resistência ao desgaste, tenacidade e dureza a quente.

 

Os característicos de menor importância (relativa) são relacionados em

números correspondentes à dureza Rockwell C, tamanho de grão Shepherd e

profundidade de endurecimento, neste caso utilizando as letras S (“shallow”= pouco

profunda), M (“medium”= profundidade média) e D (“deep” – grande profundidade).

Page 27: TECNOLOGIA MECANICA

26

 

A Tabela a seguir indica em função dos fatos acima expostos, o primeiro

passo para a seleção de aços para ferramentas e matrizes.

Tabela – Primeiro passo para a seleção dos aços para ferramentas e

matrizes:

N

atureza

do

serviço

R

equisitos

principais

Re

quisitos

secundári

os (podem

ser

necessário

s)

C

ondiçõe

s de

serviço

Característicos

desejados

G

rupo

potenc

ial

Class

e do

aço

R

esistênci

a ao

desgast

e

T

enacida

de

D

urez

a a

quen

te

U

sinagem

R

esistência

ao

desgaste;

resistênci

a ao

amolecim

ento pelo

calor

Fa

cilidade de

retificar;

Te

nacidade

C

ortes

leves,

baixas

velocida

des

4

a 8

1

a 3

1

a 6

1

00,

340,

600

C

ortes

pesados

, altas

velocida

des

7

a 9

1

a 3

8

a 9

6

00

C

orte

R

esistência

ao

desgaste;

Se

gurança e

pequeno

empenam

P

edaço

fino;

percurso

4

a 6

1

a 7

(

a)

1

00,

410,

420

Page 28: TECNOLOGIA MECANICA

27

te

nacidade

ento na

têmpera

curto

P

edaço

espesso

,

percurso

longo

6

a 9

1

a 7

(

a)

4

20,

430,

440,

600

P

edaço

pesado,

percurso

curto

2

a 4

7

a 9

(

a)

1

00,

310,

520

P

edaço

pesado,

percurso

longo

3

a 5

7

a 9

(

a)

3

20,

520

C

onformaç

ão

R

esistência

ao

desgaste

Us

inabilidade

e

tenacidad

e

A

frio;

percurso

curto

4

a 6

1

a 7

(

a)

1

00,

410,

420

A

frio;

percurso

longo

7

a 9

1

a 4

(

a)

4

30,

440,

600

A

quente,

percurso

curto

3

a 6

6

a 9

5

a 7

1

00,

211,

230,

520,

Page 29: TECNOLOGIA MECANICA

28

530

A

quente;

percurso

longo

4

a 6

6

a 9

7

a 9

5

30,

540

E

stirament

o

R

esistência

ao

desgaste

Pe

queno

empenam

ento na

têmpera

P

ercurso

curto

4

a 6

1

a 7

(

a)

1

00,

410,

420

P

ercurso

longo

7

a 9

1

a 4

(

a)

3

40,

430,

440,

600

E

xtrusão

R

esistência

ao

amolecim

ento pelo

calor,

tenacidad

e e

resistênci

a ao

desgaste

- A

frio

4

a 9

1

  7

(

a)

1

00,

340,

400,

540,

600,

500

A

quente

3

  6

6

a 9

5

a 7

5

00

L

aminação

R

esistência

ao

- P

ercurso

4

a 6

1

a 7

(

a)

1

00,

410,

Page 30: TECNOLOGIA MECANICA

29

desgaste curto 420

P

ercurso

longo

7

a 9

1

a 4

(

a)

3

40,

430,

440,

600

P

ercussão

Te

nacidade

Re

sistência

ao

desgaste

P

ercurso

curto

2

a 4

7

a 9

(

a)

1

00,

310,

320

(a) Importante somente no trabalho a quente, como nos exemplos de

conformação, extrusão ou na usinagem.

Carbonetos Sinterizados (Metal Duro): As ferramentas deste material,

vulgarmente designado por metal duro e obtido por pulverometalurgia, são as mais

usadas na indústria, devido às diferentes combinações de dureza a frio e a quente,

resistência ao desgaste e tenacidade, possíveis de obter pela variação da sua

composição química. Segundo a ISO (International Organization for

Standardization), os carbonetos sinterizados ou metal duro dividem-se em três

grandes grupos:

Grupo P: adequados à maquinagem de metais e ligas ferrosas que

apresentam aparas longas e dúcteis (apara contínua plástica);

Grupo M: grupo de transição, adequa-se à maquinagem de metais e ligas

ferrosas que apresentam aparas longas ou curtas;

Page 31: TECNOLOGIA MECANICA

30

Grupo K: adequados à maquinagem de metais e ligas ferrosas que

apresentam aparas fragmentadas e materiais não metálicos.

Para além dos nomeados, existe outro grupo de carbonetos sinterizados:

Carbonetos sinterizados revestidos: consistem num substrato com a

tenacidade adequada em geral à base de WC (carboneto de Tungsténio) e Co

(Cobalto).

Page 32: TECNOLOGIA MECANICA

31

Insertos de Metal Duro (fonte: Korloy, 2009).

Page 33: TECNOLOGIA MECANICA

32

Cermets: Tratam-se de materiais formados por aglomerados cerâmicos

numa matriz metálica, normalmente compostos refratários não metálicos, como

carboneto de Titânio (TiC) e nitreto de Titânio (TiN), e também carbonetos de

Tungsténio (WC), de Tântalo (TaC) e Nióbio (NbC), aglomerados por uma fase

metálica de menor ponto de fusão (Cobalto, Níquel ou Molibdénio).

Cerâmicos: Vulgarmente os materiais usados são o óxido

de Alumínio (Al2O3), alumina branca, prensada a frio e uma mistura de óxido de

Alumínio (Al2O3) com carboneto de Titânio (TiC) – alumina preta, prensada a quente.

Podem então dividir-se em cerâmicos:

À base de alumina: são a maioria;

À base de nitreto de Silício;

Ligas Fundidas (Estelites): Obtêm-se pela fusão de uma liga composta

principalmente por Cobalto (38% a 53%), Crómio (30% a 32%), Tungsténio (10% a

Page 34: TECNOLOGIA MECANICA

33

18%) e ainda Carbono com percentagem inferior a 1.5%, contendo ainda algum

Manganês e Azoto.

Ultra Duros: Os materiais ultra duros são caracterizados, tal como o nome

indica, por durezas extremamente elevadas, devidas à forte covalência das suas

estruturas e simetria da rede cristalina. Os materiais ultra duros mais significativos

são:

Nitreto de Bório cúbico (CBN);

Diamante sintético policristalino (PCD).

Materiais resistentes a corrosão e ao calor

Introdução

Os aços resistentes ao calor, também chamados “aços refratários”, são

aqueles que quando expostos de modo contínuo ou intermitente, em meios de várias

naturezas (gasosos ou líquidos), à ação de temperaturas elevadas, apresentam

capacidade de suportarem aquelas condições de serviços, química e

mecanicamente.

Os principais campos de aplicação desses materiais situam-se nas

indústrias de refino do petróleo e química, em equipamentos para aquecimento

(fornos, estufas, etc.), em turbinas a gás e a vapor, na indústria automobilística,

aeronáuticas e semelhantes.

Nesses e noutros setores de engenharia, em temperaturas superiores a do

ambiente – acima de 400°C, por exemplo – é obvio que as propriedades normais

que os metais apresentam começam a perder seu significado. Não só as condições

Page 35: TECNOLOGIA MECANICA

34

de corrosão e oxidação são agravadas, como também se verifica apreciável queda

na rigidez do material traduzida por uma deformação plástica acentuada sob ação

de um esforço mecânico. Este fenômeno de deformação lenta sob a ação de uma

carga constante, aplicada durante longo período de tempo, a uma temperatura

superior à ambiente, chama-se, como se sabe, “fluência” (“Creep”, na literatura

técnica em língua inglesa).

A resistência à fluência, juntamente com a resistência à corrosão e à

oxidação a altas temperaturas, é, portanto, dois dos requisitos exigidos dos aços

refratários. Outros característicos que adquirem importância maior nesses tipos de

materiais são a expansão térmica, a estabilidade estrutural e a fadiga.

É essencial, pois, o estudo e o conhecimento perfeito de todos esses

requisitos para a escolha adequada do tipo de aço destinado a serviço a altas

temperaturas.

Resistências à corrosão e à oxidação a altas temperaturas

A propriedade que certos metais e ligas possuem de resistirem à corrosão e

à oxidação a temperaturas diferentes da ambiente deve-se à formação de uma

camada de óxido sobre a superfície do metal. Da natureza desse óxido, sua

aderência ao metal-base, sua permeabilidade, sua composição química, sua

estrutura, seu ponto de fusão e seu ponto de volatilização, é que depende a maior

ou menor capacidade do metal resistir à oxidação e ao ataque do meio

circunvizinho.

A formação dessa camada de óxido é condicionada pela tensão de

decomposição do óxido; se a tensão for superior à pressão parcial do oxigênio do ar,

não se verifica oxidação; os metais que assim se comportam são chamados nobres.

No caso da tensão de decomposição ser inferior à pressão parcial do oxigênio do ar,

surge duas possibilidades: se o óxido for volátil, a superfície metálica fica exposta ao

meio circunvizinho e verifica-se a destruição do metal; é o caso do molibdênio e de

outros metais que são facilmente oxidados e atacados a altas temperaturas.

Geralmente, o óxido formado não é volátil; é o caso do ferro, níquel, cromo,

Page 36: TECNOLOGIA MECANICA

35

alumínio, silício etc., cujos óxidos possuem uma tensão de decomposição fraca,

mesmo a temperaturas elevadas.

Formada a camada de óxido sobre a superfície metálica, os fenômenos que

se seguem dependem das propriedades físicas e da textura desse óxido, sobretudo

dos volumes relativos do óxido e do metal que o originou (254). Quando o volume do

óxido formado for inferior ao do metal que o originou, a camada de óxido será

insuficiente para recobrir o metal e se apresentará porosa, de modo a permitir que o

oxigênio renove o ataque ao metal e que a reação de oxidação prossiga. No caso do

volume de óxido ser maior do que o do metal atacado, a camada de óxido formada

será compacta, sem apresentar descontinuidade e a oxidação, devida ao ataque

direto do oxigênio sobre o metal, não se produzirá mais. Entre os metais

pertencentes ao grupo cujos óxidos têm a propriedade de se apresentarem em

maior volume do que o metal que os originou, situam-se o alumínio, o cromo, o

cobalto, o cobre, o ferro, o manganês, o níquel, o silício, o tungstênio e outros. A

maioria desses elementos está presente, como se verá, nos aços refratários.

Entretanto, não é suficiente que a camada de óxido formada tenha os

característicos acima, de compacidade e sem descontinuidade. De fato, a reação de

oxidação pode ainda ocorrer a uma certa profundidade da camada oxidada, por

difusão seja de átomos metálicos, seja de oxigênio através de camada de óxido.

Veja-se o caso particular do ferro.

Admitem-se, para a explicação do mecanismo de oxidação do ferro, que se

verifiquem duas difusões em sentidos contrários: difusão o oxigênio para o interior e

difusão do ferro para a periferia. No caso do ferro, supõe-se que este último tipo de

difusão – do ferro em direção à periferia – seja o mais importante e admite-se que

ele tenha lugar com o ferro no estado de íons e que os íons metálicos positivos,

muito menos volumosos que os íons de oxigênio, possam deslocar-se com muito

maior facilidade através do reticulado cristalino. Por outro lado, para que ocorra a

difusão dos íons metálicos através da camada de óxido, é necessário que esta

possa ser susceptível de apresentar diversas composições químicas. É o que ocorre

com os óxidos de ferro, de cobre, de níquel e de cobalto.

Page 37: TECNOLOGIA MECANICA

36

No caso particular da oxidação de ferro, a temperaturas acima de 550°C, no

ar, ou no oxigênio, à pressão atmosférica, há formação de três camadas oxidadas,

cujo teor em oxigênio diminui da superfície em direção ao metal: uma camada mais

externa de Fe2O3, uma camada intermediária de Fe3O4 e a camada mais interna,

adjacente ao ferro de FeO. No caso, pois, do ferro ou de metais cuja camada de

óxido pode apresentar teor variável de oxigênio conforme a profundidade, a reação

de oxidação prossegue devido à possibilidade de reação de difusão do oxigênio e do

metal.

Há outros elementos, entretanto, para os quais a camada oxidada formada é

realmente impermeável porque o óxido constituído apresenta uma única composição

em toda a extensão da camada, tornando difícil a difusão do oxigênio ou do metal e

sendo portanto de natureza realmente protetora. É o caso dos óxidos siO2, Cr2O3 e

Al2O3. No silício, cromo e alumínio, uma vez formados os seus óxidos, a oxidação é

interrompida na formação da primeira camada oxidada.

Nas ligas metálicas – que para aplicações de resistência à oxidação a altas

temperaturas são a base de ferro ou níquel ou de ambos – a qualidade de camada

oxidada depende dos elementos de liga adicionados e do seu teor. Assim, por

exemplo, quando ao ferro se adicionam pequenas quantidades de cromo, níquel,

tungstênio, silício, vanádio e manganês, a estrutura da camada oxidada apresenta-

se idêntica a que se forma no caso do ferro simplesmente: isto é, há três camadas

de óxido de ferro com teores diferentes de oxigênio, notando-se, entretanto, uma

grande heterogeneidade na composição química dessas camadas, os elementos

adicionados, com exceção do manganês, concentrando-se grandemente na camada

contígua ao metal (essa concentração explica-se pelo fato desses elementos de liga

serem menos solúveis nos óxidos de ferro do que o ferro e se difundem mais

dificilmente).

Quando se adiciona ao ferro elementos de liga oxidáveis – cromo, silício ou

alumínio, por exemplo – em teores crescentes, verifica-se profunda alteração no

mecanismo da oxidação. A concentração na camada mais interna aumenta

continuamente até que a camada oxidada, em vez de ser constituída de três

camadas com teores diferentes de oxigênio, é formada de uma única, composta

quase exclusivamente do óxido do elemento adicionado, que, se de natureza

Page 38: TECNOLOGIA MECANICA

37

refratária, constitui uma proteção completa e permanente, devido à sua velocidade

de difusão.

Aços inoxidáveis: Os aços inoxidáveis são divididos, de acordo com a sua

microestrutura, sendo as principais: as dos aços Austenísticos, Ferríticos e

Martensíticos.

Austeníticos: São ligas não magnéticas de ferro-cromo-níquel contendo

tipicamente 8% de níquel, com baixo teor de carbono. Apresentam boas

propriedades mecânicas, boa soldabilidade, trabalhabilidade a frio e resistência à

corrosão. Podem ser endurecidos por deformação e, neste estado, são ligeiramente

magnéticos. As adições de elementos de liga como o molibdênio e a redução do teor

do carbono melhoram sua resistência à corrosão.

Ferríticos: São ligas ferro-cromo contendo de 12 a 17% de cromo com baixo

teor de carbono. Não são endurecíveis por tratamento térmico. São magnéticos e

apresentam boa resistência à corrosão em meios menos agressivos, boa dutilidade,

razoável soldabilidade. O trabalho a frio os endurece moderadamente.

Martensíticos: São ligas de ferro-cromo contendo de 12 a 14% de cromo e

com alto teor de carbono. São endurecíveis por tratamentos térmicos e magnéticos.

Quando temperados são muito duros e pouco dúteis, e é nesta condição que são

resistentes à corrosão. Quando recozidos não apresentam bom comportamento

frente à corrosão atmosférica.

Aços resistentes ao calor ou refratários: Em algumas aplicações onde não

importam a resistência à oxidação e à corrosão, pode-se usar aço-carbono de baixo

teor de carbono (0,10-0,20) até temperaturas da ordem de 480-500°C. Nesses aços,

o limite de resistência à tração que é de cerca de 43,0 kgf/mm2 (420 MPa) cai a

Page 39: TECNOLOGIA MECANICA

38

mais de 25,0 kgf/mm2 (250 MPa) a 540°C e 6,0-6,5 kgf/mm2, (60-65 MPa), quando

a temperatura é de cerca de 760°C (254), o que comprova a limitação do seu

emprego a temperaturas superiores a 500°C.

 

A introdução de cromo e molibdênio em teores baixos, mantido ainda o

carbono baixo, melhora as propriedades de resistência ao calor, ainda que não se

tenha qualquer melhora apreciável no que diz respeito aos característicos de

resistência à oxidação e à corrosão a temperaturas superiores à ambiente. A

introdução de molibdênio somente, em teores de 0,45-0,65% num aço com 0,10-

0,20% de carbono e 0,30-0,60% de manganês, pode produzir as seguintes

alterações em relação à resistência à tração (258):

 

- à temperatura ambiente: 44,00 kgf/mm2 (MPa)

- à temperatura de 540°C: 35,00 kgf/mm2 (340 MPa)

- à temperatura de 760°C: 8,00 kgf/mm2 (80 MPa)

 

Na realidade, a melhora da resistência à tração não é apreciável; verifica-se,

entretanto, que a resistência à fluência pode apresentar um valor aproximadamente

duas vezes superior à que é apresentada pelo aço-carbono comum.

Os aços-liga de baixo teor em liga não podem ser considerados a rigor aços

refratários, justamente devido à falta de resistência satisfatória à oxidação e à

corrosão. Seu uso limita-se, portanto, em peças em contato com vapor

superaquecido, como tubos de caldeiras a vapor, tubos de superaquecedores e

aplicações semelhantes.

O alongamento mais elevado, medido longitudinalmente equivale a 35%

em 50 mm e corresponde ao aço tipo AS-106 A. Nesse mesmo aço, o alongamento,

Page 40: TECNOLOGIA MECANICA

39

medido transversalmente, equivale a 25%. O valor  mais baixo de alongamento

equivale a 16% e corresponde aos aços AS-533B2 e AS-517F.

 

Tabela – Composição química de aços utilizáveis a temperaturas

elevadas

 

E

specifica

ção

ASME*

Composição, %

C M

n

S

i

P

ma

x.

S

m

ax.

C

r

N

i

M

o

O

utros

S

A-106 A

0

,25

(a)

0

,27/0,

93

0

,15

(b)

0

,04

8

0

,05

8

- - - -

S

A-106 B

0

,30

(a)

0

,29/1,

06

0

,10

(b)

0

,04

8

0

,05

8

- - - -

S

A-185 A

0

,17

(a)

0

,90

(b)

- 0

,03

5

0

,04

5

- - - 0

,25 Cu

max.

S

A-299

0

,28

(a)

0

,90/1,

40

0

,15/0,

30

0

,03

5

0

,04

0

- - - -

S

A-204 A

0

,18

(a)

0

,90

(a)

0

,15/0,

30

0

,03

5

0

,04

0

- - 0

,45/0,

60

-

S

A-302 A

0

,20

0

,95/1,

0

,15/0,

0

,03

0

,04

- - 0

,45/0,

-

Page 41: TECNOLOGIA MECANICA

40

(a) 30 30 5 0 60

S

A-533 B2

0

,25

(a)

1

,15/1,

50

0

,15/0,

30

0

,03

5

0

,04

0

- 0

,40/0,

70

0

,45/0,

60

0

,10 Cu

max.

S

A-517 F

0

,10/0,

20

0

,60/1,

00

0

,15/0,

35

0

,03

5

0

,04

0

0

,40/0,6

5

0

,70/1,

00

0

,40/0,

60

0

,002/0,0

06B

0

,15/0,50

Cu

0

,03/0,08

V

S

A-335

P12

0

,15

(a)

0

,30/0,

61

0

,50

(a)

0

,04

5

0

,04

5

0

,50/1,2

5

- 0

,44/0,

65

-

S

A-

217WC6

0

,20

(a)

0

,50/0,

80

0

,60

(a)

0

,04

0

0

,04

5

1

,00/1,5

0

- 0

,45/0,

65

-

S

A-387Gr-

22-1

0

,15

(a)

0

,30/0,

60

0

,50

(a)

0

,03

5

0

,03

5

2

,00/2,5

0

- 0

,90/1,

10

-

S

A-

387Gr5-2

0

,15

(a)

0

,30/0,

60

0

,50

(a)

0

,04

0

0

,03

0

4

,00/6,0

0

- 0

,45/0,

65

-

S

A-217C12

0

,02

(a)

0

,35/0,

65

1

,00

(a)

0

,04

0

0

,04

5

8

,00/10,

00

- 0

,90/1,

30

-

Page 42: TECNOLOGIA MECANICA

41

*American Society of Mechanical Engineers; (a) máximo; (b) mínimo.

 

 

 

Tabela – Propriedades mecânicas à temperatura ambiente de aços

utilizáveis a temperaturas elevadas

 

Espec

ificação

ASME

Limite de

resistência à

tração

Limite de

escoamento

Along

amento

mínimo em50

mm, %

E

stricção

%

k

gf/mm2

M

Pa

k

gf/mm2

M

Pa

SA-

106 A

3

3,6 (min)

3

30

21 2

07

35

(a), 25 (b)

-

SA-

106 B

4

2 (min)

4

15

24

,5

2

41

30(a),

16,5(b)

-

SA-

285 A

3

1,5-38,5

3

10-

380

16

,8

1

65

27

(a), 30

-

SA-

299

5

2,5-63,0

5

15-

620

29

,4

2

90

16 (c) -

SA-

204 A

4

5,5-53,9

4

45-

530

25

,9

2

55

19

(a), 23

-

SA-

302 A

5

2,5-66,5

5

15-

31 3 15 (c), -

Page 43: TECNOLOGIA MECANICA

42

655 ,5 10 19

SA-

533 B2

6

3,0-80,5

6

20-

790

49

,0

4

75

16 -

SA-

517 F

8

0,5-94,5

7

95-

930

70

,0

6

89

16 3

5-45

SA-

335P12

4

2 (min)

4

15

21

,0

2

07

30

(a), 20(b)

-

SA-

217WC6

4

9-63

4

85-

620

28

,0

2

75

20 3

5

SA-

387Gr22-1

4

2-59,5

4

15-

585

21

,0

2

07

30(c),

45

4

0

SA-

387Gr5-2

5

2,5-70

5

15-

690

31

,5

3

10

18(c),

22

4

5

SA-

217C12

6

3-80,5

6

20-

795

42

,0

4

15

18 3

5

(a) longitudinal; (b) transversal; (c) alongamento em 200 m

 

 

Como se vê, esses aços são todos de baixo carbono e baixo teor de

elementos de liga, com exceção do último – SA-217C12, em que o cromo se situa

na faixa, 8,00-10,00% e que já pode ser considerado aço refratário.

Page 44: TECNOLOGIA MECANICA

43

A forma segundo a qual esses aços podem ser produzidos varia, como se

nota abaixo:

 

- SA-106 A, SA-106 B – tubos de aço-carbono sem costura;

- SA-285, SA-299, Sa-204-A, SA-302 A, SA-533B2 e SA-517F – chapas;

-SA-335P12 – tubo de aço ferrítico para serviço a alta temperatura;

-SA-217WC6 – peças fundidas;

- SA-387Gr22 e SA-387Gr5 – chapas;

- SA-217C12 – peças fundidas.

A partir de 5-6% de cromo, esse elemento sozinho ou juntamente com o

níquel, os aços tornam-se propriamente refratários. Assim sendo, esses tipos de

materiais podem ser reunidos em dois grupos principais:

 

- aço-cromo, com cromo que pode variar de 5% até cerca de 30%;

 

-aços-cromo-níquel, do tipo austenítico, apresentando cromo desde 16% até

26% e níquel desde 8% até cerca de 22%.

 

Page 45: TECNOLOGIA MECANICA

44

No primeiro grupo (259), a ocorrência de 5-6% de cromo torna os aços muito

importantes nas indústrias em que há presença de hidrogênio e hidrocarbonetos. Às

vezes, adiciona-se também molibdênio, vanádio ou tungstênio para melhorar a

resistência mecânica a quente e alumínio e silício que aumentam a resistência à

oxidação elevando a temperatura-limite de serviço do aço. Esses aços, de

composição adequada e convenientemente temperados e revenidos, podem atingir

valores de resistência à tração da ordem de 80-95 kgf/mm2 (780 a 930 MPa).

Com apenas 0,5% de molibdênio, a resistência à fluência dos aços com 5-

6% de cromo é consideravelmente melhorada, tornando-se emprego útil na faixa

450-550°C, com cargas relativamente elevadas: 10 a 12 kgf/mm2 (100 a 120 MPa),

com alongamento de 1% em 1000 horas (259).

São utilizados grandemente sob a forma de tubos, na indústria de petróleo,

em certas indústrias químicas, em caldeiras a vapor e superaquecedores.

A presença de cromo em teores de 7-10% com carbono médio (0,40-0,60),

silício elevado (1% até 3,5%) e frequentemente com adições de molibdênio (0,5%)

(259) torna os aços resistentes à corrosão por parte de gases de combustão a

temperaturas elevadas que, em motores de automóveis, podem atingir valores

de750°C, de modo que uma das aplicações típicas desses aços encontra-se na

indústria automobilística, em válvulas de diversos tipos. Sua resistência à fluência é

satisfatória entre 450-700°C. São aços endurecíveis por têmpera, que atingem, com

conveniente têmpera e revenido, valores superiores a 100 kgf/mm2 (980MPa) para

limite de resistência à tração.

Com 13% de cromo (12% a 15%), os aços apresentam satisfatória

resistência à oxidação até a temperatura de 800°C. Com baixo carbono (0,15%

max.) são indicados para lâminas de turbina a vapor. A adição de alumínio (2,5% a

3,5%) eleva a temperatura de emprego a 1000°C. A resistência mecânica à alta

temperatura é baixa, podendo, contudo, ser melhorada pela adição de molibdênio,

tungstênio, vanádio e nióbio. Geralmente apresentam excelentes característicos de

resistência à fluência a temperaturas de 550-600°C.

 

Page 46: TECNOLOGIA MECANICA

45

Com cromo em torno de 18% a resistência à oxidação é ainda melhor,

sobretudo à ação do ar, até temperaturas de 850-900°C. São aços de estrutura

ferrítica, os quais, admitida uma deformação permanente de 0,1% em 1000 h,

suportam os esforços seguintes:

 

7,0 kgf/mm2 (70 MPa) a 525°C

3,5 kgf/mm2 (35 MPa) a 600°C

1,5 kgf/mm2 (15 MPa) a 700°C

0,7 kgf/mm2 (7 MPa) a 750°C

 

o que indica que a resistência à fluência é relativamente baixa, característico

esse, aliás, comum aos aços dos tipos ferríticos.

Uma aplicação importante desses aços é para válvulas de motores de

automóveis e aviões, com adição de silício (cerca de 2,0%) e níquel (em torno de

1,5%) (260).

Finalmente, com cromo,mais elevado, da ordem de 25-30%, os aços podem

ser empregados até 1100°C em atmosfera oxidante e até 1000°C em atmosfera

redutora carburizante ou sulfurosa. São do tipo ferrítico e como tal apresentam

resistência à fluência relativamente baixa. Empregam-se em inúmeras peças

utilizadas em fornos, quer no estado fundido, quer no estado forjado. Possuem

geralmente carbono médio (em torno de 0,35%).

A adição de alumínio nesses aços ferríticos de alto cromo aumenta

consideravelmente sua resistência à oxidação, a ponto deles poderem ser utilizados

em resistências elétricas, pois resistem à oxidação até temperaturas de 1300 –

1325°C.

A faixa normal dos aços de alto cromo, com alumínio, para resistências

elétricas é cromo de 30% a 35% e alumínio de 5% a 6%. Esses materiais

Page 47: TECNOLOGIA MECANICA

46

caracterizam-se igualmente por terem boa resistência à ação de atmosferas

sulfurosas e por apresentarem resistividade elétrica elevada.

As desvantagens desses aços são: apresentação de fragilidade, após

permanência prolongada a temperaturas superiores a 900°C, devido ao crescimento

do grão verificado e baixa resistência à deformação a quente.

Aliás, é comum nos aços ferríticos de alto cromo a adição de nitrogênio para

refinar o grão e melhorar sua trabalhabilidade (258).

Tabela – Aços-cromo resistentes ao calor

 

T

ipo

C M

n (max.)

S

i (max.)

C

r

M

o

Ou

tros

elementos

5

01 AISI

0

,10 (min.)

1

,00

1

,00

4

,00-6,00

- -

7

Cr

0

,15

(max.)

0

,60

0

,50-1,00

6

,00-8,00

0

,45-0,65

-

9

Cr

0

,15

(max.)

0

,60

1

,00

8

,00-10,00

0

,90-1,10

-

4

03 AISI

0

,15

(max.)

1

,00

0

,50

1

1,50-

13,00

- -

4

10 AISI

0

,15

(max.)

1

,00

1

,00

1

1,50-

13,50

- -

Page 48: TECNOLOGIA MECANICA

47

4

30 AISI

0

,12

(max.)

1

,00

1

,00

1

4,00-

18,00

- -

4

42 AISI

0

,20

(max.)

1

,00

1

,00

1

8,00-

23,00

- -

4

46 AISI

0

,35

(max.)

1

,50

1

,00

2

3,00-

27,00

- N2

-0,25

(max)

 

 

A Tabela anterior reúne os principais tipos de aços ao cromo resistentes ao

calor, a maioria dos quais incluídos em especificações da AISI (261).

O segundo grupo de aços resistentes ao calor compreende os aços cromo-

níquel, do tipo austenítico.

Nesse grupo, pode-se, por outro lado, considerar os tipos em que predomina

o cromo e aqueles em que predomina o níquel.

No 1° caso (Tabela a seguir), os aços característicos do grupo são os tipos

18-8, 25-12 e 25-20 números correspondentes aos teores médios de cromo e níquel

respectivamente.

Os aços 18-8, já conhecidos por sua excelente resistência à corrosão à

temperatura ambiente, possuem uma resistência ao calor muito satisfatória até

temperaturas de900°C em meio oxidante e até 700°C em meio redutor de natureza

sulfurosa. São melhores que os aços ferríticos com o mesmo teor de cromo porque

são mais trabalháveis, soldam mais facilmente e apresentam resistência mecânica

superior a altas temperaturas: por exemplo, seu limite de resistência à tração é,

a 800°C, de cerca de 20 kgf/mm2 (200 MPa) ao passo que o aço ferrítico com 17%

de cromo apresenta nessa temperatura limite de resistência de apenas 4 kgf/mm2

(259). O mesmo se pode dizer em relação à resistência à fluência, cujo valor, nesses

Page 49: TECNOLOGIA MECANICA

48

casos, além de ser consideravelmente superior ao dos aços ferríticos, é ainda

melhorado por adições de molibdênio, titânio e nióbio. O tungstênio também

aumenta a resistência, à fluência, e os limites de resistência à tração tanto a frio

como a quente.

Tabela – Aços cromo-níquel resistentes ao calor

 

 

T

ipo

C M

n (max.)

S

i (max.)

C

r

N

i

Ou

tros

elementos

3

02 AISI

0

,08-0,20

2

,00

1

,00

1

7,00-

19,00

8

,00-10,00

-

3

02B AISI

0

,08-0,20

2

,00

2

,00-3,00

1

7,00-

19,00

8

,00-10,00

-

3

04 AISI

0

,08

(max.)

2

,00

1

,00

1

8,00-

20,00

8

,00-11,00

-

3

09 AISI

0

,20

(max.)

2

,00

1

,00

2

2,00-

24,00

1

2,00-

15,00

-

3

10 AISI

0

,25

(max.)

2

,00

1

,00

2

4,00-

26,00

1

9,00-

22,00

-

3

16 AISI

0

,10

2 1 1

6,00-

1

0,00-

2,0

Page 50: TECNOLOGIA MECANICA

49

(max.) ,00 ,00 18,00 14,00 0-3,00 Mo

3

21 AISI

0

,08

(max.)

2

,00

1

,00

1

7,00-

19,00

8

,00-11,00

5 x

C min. Ti

3

47 AISI

0

,08

(max.)

2

,00

1

,00

1

7,00-

19,00

9

,00-12,00

10

x C min.

Nb

 

 

 

Os aços 18-8 são muito empregados em caixas e peças para fornos de

recozimento, peças de recuperadores, ventaneiras, tubos de caldeiras e vapor a alta

pressão, tubos de escapamento de motores de combustão interna (com Ti), peças

de motores a jato (com nióbio), etc.

O tipo 25-12 admite emprego em atmosfera oxidante até 1.100°C e em

atmosfera redutora como a sulfurosa até 900°C. Seu limite de resistência à tração a

quente e sua resistência à fluência são semelhantes às dos aços 18-8, assim como

seu emprego.

Os aços do tipo 25-20, contendo geralmente 1% a 2% de silício (tipo 310

AISI, Tabela 132), podem ser utilizados até 1.100°C em atmosfera oxidante,

até 1000°Cem atmosfera levemente sulfurosa e até 900°C em presença de

quantidades consideráveis de produtos sulfurosos. Tanto a resistência à tração a

quente como a resistência à fluência são ligeiramente superiores às dos tipos

anteriores. São empregados em peças de turbinas a gás, tubos de pirômetros, etc.

A Tabela anterior indica alguns tipos de aços cromo-níquel resistente ao

calor em que o cromo predomina incluindo-se tipos estabilizados como nióbio ou

titânio.

 

Page 51: TECNOLOGIA MECANICA

50

A Tabela a seguir resume a resistência à oxidação dos aços podendo-se

notar as temperaturas máximas para sua operação satisfatória, sem que haja

excessiva formação de casca de óxido.

Os aços resistentes ao calor do tipo cromo-níquel em que o níquel

predomina são indicados para resistir à ação de atmosferas tanto oxidantes como

redutoras dede que o teor de enxofre não seja muito elevado. São aços que se

caracterizam pela estabilidade de sua estrutura após permanecerem longo tempo a

altas temperaturas e por não se tornarem frágeis, após aquecimento prolongado

entre as temperaturas de 500°C a 900°C, como ocorre com os aços em que

predomina o cromo.

Tabela – Temperaturas máximas comparativas para operação de aços

resistentes ao calor sem excessiva oxidação

 

Aços- Cr Temperat

ura máxima (°C)

Aços-Cr-

Ni

Temperat

ura máxima (°C)

501 AISI

(0,5Mo)

620 302-304

AISI

900

7 Cr 650 302B AISI 980

9 Cr 675 309 AISI 1095

403-410

AISI

705 310 AISI 1150

430-AISI 845 316 AISI 900

442-AISI 955 321 AISI 900

446-AISI 1095 347 AISI 900

 

Page 52: TECNOLOGIA MECANICA

51

 

A Tabela a seguir mostra para alguns aços resistentes ao calor dos tipos

cromo e cromo-níquel (com cromo predominando) os valores do limite de resistência

à tração (*), da tensão de ruptura (**) e da fluência a várias temperaturas.

Tabela – Algumas propriedades mecânicas de certos aços resistentes

ao calor, em função da temperatura

 

T

emper

atura,

°C

Tipo 501

(0,5 Mo)

Tipo 410 Tipo 446 Tipo 304

(18-8)

R

esis

t.

Tra

ção

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Rup

tura

kgf/

mm

2

(MP

a)

F

luê

nci

a

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Tra

ção

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Rup

tura

kgf/

mm

2

(MP

a)

F

luê

nci

a

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Tra

ção

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Rup

tura

kgf/

mm

2

(MP

a)

F

luê

nci

a

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Tra

ção

kgf/

mm

2

(MP

a)

R

esis

t.

Rup

tura

kgf/

mm

2

(MP

a)

F

luê

nci

a

kgf/

mm

2

(MP

a)

A

mbient

e

5

3,5

(52

5)

- - 6

2,5

(61

5)

- - 5

8

(570

)

- - 6

1

(60

0)

- -

9

3

4

4

(43

0)

- - 5

8

(57

0)

- - 5

4,5

(535

)

- - 5

5

(54

0)

- -

2 4 - - 5 - - 5 - - 5 - -

Page 53: TECNOLOGIA MECANICA

52

04 2

(41

00

3

(52

0)

1,5(

505)

2

(51

0)

3

16

4

0,5

(39

5)

- - 5

1

(50

0)

- - 5

0

(490

)

- - 5

1

(50

0)

- -

4

27

3

9

(38

0)

- - 4

6

(45

0)

- - 4

8

(470

)

- - 4

8,5

(47

5)

- -

5

38

3

1

(30

0)

1

3,3

(13

3)

6

,3

(63)

3

1

(30

0)

- 7

,7

(77)

4

3

(420

)

- 4

,2

(42)

4

0,5

(39

5)

- 1

2,2

(12

2)

6

49

1

7

(17

0)

4

,2

(42)

1

,4

(14)

1

5,5

(15

5)

- 1

,4

(14)

1

7

(170

)

2

,8

(28)

1

,0

(10)

3

1

(30

0)

1

0,5

(10

5)

4

,9

(49)

7

60

8

,5

(85)

1

,4

(14)

- 6

,5

(65)

- - 8

,5

(85)

1

,2

(12)

0

,2

(2)

2

0,5

(20

5)

4

,2

(42)

1

,7

(17)

8

71

- - - 6

,6

(66)

*

- - 3

,8

(38)

- - 1

1

(11

0)

- -

9

82

- - - 5

(50

- - 2

,1

- - 6

(60

- -

Page 54: TECNOLOGIA MECANICA

53

) (21) )

1

093

- - - 3

(30

)

- - 1

,4

(14)

- - 3

,8

(38)

- -

1

204

- - - 1

,8

(18)

- - 0

,87

(8,7)

- - - - -

1

316

- - - 0

,35

(3,5

)

- - - - - - - -

* Aumento devido à transformação da ferrita em austenita. A resistência à

ruptura corresponde à tensão para ruptura em 1000 horas à temperatura

considerada. A fluência corresponde à tensão para 1% de deformação em 10.000

horas.

 

 

A Tabela a seguir apresenta a composição média de alguns tipos de aços

níquel-cromo, onde predomina o níquel. Esses aços podem ser empregados

até 1050°C, em aplicações tais como tubulações para serviço em alta temperatura,

peças para turbina a gás, etc.

Tabela – Alguns tipos de aços-níquel-cromo resistentes ao calor

 

L

iga

C M

n

S

i

C

r

N

i

M

o

W T

i

A

l

O

utros

A 0 1 1 1 2 1 - 0 0 -

Page 55: TECNOLOGIA MECANICA

54

-282 ,08

(máx.

)

,25 ,00

(máx.

)

4,75 5,5 ,25 ,35 ,25V

(máx.

)

D

iscaloy

24

0

,04

1

,38

1

,0

1

3,5

2

6,2

3

,9

- 1

,61

0

,11

-

H

aynes

Alloy 88

0

,07

1

,5

0

,5

1

2,5

1

5,0

2

,0

0

,6

0

,6

- 0

,15B

I

ncoloy

T

0

,10

1

,0

0

,4

2

0,5

3

2,0

- - 1

,0

- -

T

imken

16-25-6

0

,10

1

,35

0

,7

1

6,0

2

5,0

6

,0

- - - 0

,15N2

 

 

Um maior teor de níquel e cromo permite a sua utilização a temperaturas

mais elevadas, da ordem de 1.150°C; entretanto, tais materiais deixarão de ser

abordados por não serem mais aços e sim ligas especiais de Ni-Cr (***).

A Tabela a seguir apresenta a temperatura de formação de “casca de óxido”

de alguns aços no cromo-níquel: note-se que um aumento do teor de níquel além de

um certo limite não exerce qualquer influência sobre a resistência à oxidação dos

aços considerados.

Tabela – Temperaturas de formação de “casca de óxido” em alguns

aços ao Cr-Ni

 

Page 56: TECNOLOGIA MECANICA

55

Tipo 18-

8

18-

12

25-

15

25-

20

15-

35

Cro

mo, %

17-

19

17-

19

24-

26

24-

26

13-

17

Níqu

el, %

8-

10

11-

14

14-

16

19-

22

33-

36

Man

ganês, %

2,0

0

2,0

0

2,0

0

1,0

0

1,0

0

Carb

ono, %

0,1

0

0,1

0

0,1

5

0,1

5 máx.

0,2

0 máx.

Tem

peratura de

formação de

casca de

óxido, °C

900

°

900

°

1.1

50°

1.1

00°

900

°

 

(*) Os valores para limite de resistência à tração a diversas temperaturas são

obtidos mediante ensaio de tração semelhante ao que se faz à temperatura

ambiente, tendo, entretanto, submetido o corpo de prova a um aquecimento à

temperatura do ensaio, num forno adequado, durante meia à uma hora.

(**) O ensaio para determinar a tensão de ruptura é semelhante ao d

fluência, com a diferença de que tensões mais elevadas são utilizadas e de que se

exige medidas rigorosas de deformações. Esse ensaio indica o tempo necessário

para ocorrer ruptura a uma dada temperatura, sob a ação de várias cargas

constantes.

(***) Algumas composições mais conhecidas e usadas dessas ligas são 80

Ni-14 Cr-6 Fe (Inconel); 80 Ni-20 Cr (Nichrome), etc.

Page 57: TECNOLOGIA MECANICA

56

Outras ligas resistentes ao calor:

CC670 – S15(S05-S25)

Cerâmica à base de óxido de alumínio, reforçada com whiskers de metal

duro e silício e excelente tenacidade.

Recomendada basicamente para ligas resistentes ao calor sob condições

desfavoráveis.

CC6060 – S10(S05-S20)

Cerâmica à base de Sialon.

Performance otimizada em materiais HRSA préusinados sob condições

estáveis.

Alta segurança e desgaste previsível devido a alta resistência ao desgaste

tipo entalhem.

CC6065 – S15(S10-S20)

Cerâmica à base de Sialon. Oferece boa tenacidade e segurança.

Bem adequada para primeira fase de usinagem em aplicações semi-

intermitentes e também para a usinagem de casca forjada e outras operações com

exigência de tenacidade. 

S05F – S05(S05-S15)

Metal duro com cobertura CVD.

Para acabamento com altas velocidades em HRSA ou cortes longos com

velocidades mais baixas. Também pode ser usada em desbaste.

Para aplicações onde o desgaste tipo entalhe não é um problema

significativo, por exemplo, pastilhas redondas, ângulos de posição grandes e

materiais mais macios.

GC1105 – S15(S05-S20)

Page 58: TECNOLOGIA MECANICA

57

Cobertura PVD TiAlN fina com excelente aderência a um substrato duro de

finos grãos, com 6% Co para alta dureza a quente e boa resistência contra

deformação plástica e desgaste de flanco.

Alta performance, arestas vivas com tenacidade.

Adequada para acabamento de aços inoxidáveis com velocidades altas.

Excelente performance em super ligas resistentes ao calor.

GC1115 – S20(S15-S25)

Cobertura PVD fina à base de óxido e aderência superior ao substrato,

também em arestas vivas.

Velocidades baixas a médias e cortes intermitentes em super ligas

resistentes ao calor.

Operação sem problemas, como desgaste irregular do flanco e cavacos.

Boa resistência contra o desgaste tipo entalhe em tempos de contato curtos.

GC1125 – S25(S20-S30)

Metal duro microgrãos com cobertura PVD.

Recomendado para super ligas resistentes ao calor em velocidades baixas

ou cortes intermitentes suaves.

Boa resistência contra o desgaste tipo entalhe e de choques térmicos.

Adequada para uso em operações de semi-desbaste em tempos de contato curtos.

GC1005 – S15(S05-S20)

Metal duro com cobertura PVD e alta resistência ao desgaste com

temperaturas altas. Substratos de finos grãos com boa resistência à deformação

plástica.

Mais adequada para super ligas resistentes ao calor à base em Ni, Fe ou

Co.

H10A – S10(S01-S20)

Page 59: TECNOLOGIA MECANICA

58

Classe de metal duro sem cobertura com boa resistência ao desgaste.

Acabamento a desbaste médio de ligas resistentes ao calor e ligas de Ti.

H13A – S15(S10-S30)

Classe de metal duro sem cobertura com boa resistência ao desgaste

abrasivo e tenacidade.

Torneamento médio ao desbaste das ligas de titânio e aços resistentes ao

calor. 

CC650 – S05(S01-S10)

Cerâmica mista à base de Al2O3.

Pode ser utilizada em operações de semiacabamento de ligas de alta

temperatura em aplicações com baixa demanda quanto à segurança da aresta.

H10F – S15(S10-S30)

Classe de metal duro de finos grãos e sem cobertura.

Recomendada para super ligas resistentes ao calor ou ligas de titânio com

velocidades muito baixas.

Grande resistência ao choque térmico e desgaste tipo entalhe a tornam

adequada para cortes longos ou intermitentes.

GC15 – S20 (S15-S25)

Recomendada para desbaste médio ao acabamento de ligas à base de

níquel e titânio envelhecidas.

GC30 – S35 (S35-S45)

Para uso complementar em ligas à base de níquel e titânio em estágio não

tratado termicamente/não envelhecido.

Page 60: TECNOLOGIA MECANICA

59

Materiais para fins elétricos e magnéticos

Introdução

A utilização dos aços para fins elétricos e magnéticos só pode ser discutida

com base em suas propriedades magnéticas. As propriedades mecânicas e

químicas que têm constituído as características para a comparação dos materiais

até aqui estudados em princípio podem ser ignoradas.

 A aplicação dos materiais magnéticos é das mais extensas no campo da

indústria elétrica, exigindo-se propriedades especiais tanto no caso de um pequeno

motor para relógio elétrico, como no de um motor de grande potência para

acionamento de um laminador, ou no caso de um transformador de alta freqüência

para rádio comunicação, ou de alta potência para uma rede de distribuição de força.

Particularmente nestes casos em que se lidam com potências extremamente baixas,

ou extremamente altas,é que as exigências quanto às propriedades magnéticas e

elétricas se tornam mais imperativas.

 Até poucos anos atrás, as companhias de equipamentos elétricos faziam

seus produtos de um modo mais ou menos empírico, louvando-se apenas em sua

experiência industrial. Com o atual desenvolvimento das aplicações desses

materiais, despertou-se o interesse dos pesquisadores, tanto no campo

fundamental, como no de novas aplicações, desenvolvendo-se o conhecimento das

propriedades desses materiais, que permitiu a compreensão de certos fenômenos e

a correlação entre magnetismo, composição química e estrutura.

 Como o estudo dos materiais incluídos neste capítulo só poderá ser feito

por intermédio de suas propriedades magnéticas, é conveniente que se faça uma

rápida recordação do significado físico dessas propriedades.

Page 61: TECNOLOGIA MECANICA

60

Magnetismo

O magnetismo, ou seja, a propriedade de certas substâncias – os ímãs – se

atraírem entre si ou a outros corpos, pode ser melhor compreendida pela lei de

Coulomb de atração entre pólos magnéticos, que possibilitou definir a unidade de

pólo ou massa magnética, a qual provoca em uma massa idêntica, colocada a uma

distância de 1cm, uma força repulsiva de uma dina.

O conceito de pólo é utilizado com o objetivo de facilitar a compreensão dos

campos magnéticos, cujo aspecto físico pode ser materializado se se introduzir o

conceito de linha de força.

Estas são linhas normais às superfícies equipotenciais que envolvem os

pólos magnéticos. Essas linhas apresentam circuitos magnéticos que emanam ou

convergem a um pólo. Por definição, considera-se que a esfera de 1 cm de raio

envolvendo um pólo magnético unitário é penetrado por 4 linhas de força; portanto,

cada centímetro quadrado da superfície dessa esfera é atravessado por uma linha

de força.

Define-se, então, a intensidade de um campo magnético ou força

magnetizante, como o número de linhas que atravessam a unidade de área normal à

direção do campo.

 A unidade de intensidade do campo magnético recebe o nome de “oersted”

e corresponde à “intensidade de um campo que exerce uma força de uma dina,

numa unidade de massa magnética, nele colocada”. Logo, a 1 cm de um pólo

unitário, a intensidade de um campo magnético é de 1 oersted.

 

 

Page 62: TECNOLOGIA MECANICA

61

2.1 – Intensidade de magnetização e indução magnética

 

Define-se quantitativamente a magnetização pelo número de pólos

magnéticos unitários existentes por unidade de área numa secção do material.

 Se o número de pólos unitários na extremidade de uma barra de

comprimento “l” for “m”, e a área da secção for “a”, a intensidade de magnetização

“I” será dada pela relação: I = m/a.

 Demonstra-se que I representa também o momento magnético “M” por

unidade de volume, pois:

 

M = ml

v = al, donde I = v/a

M = m v/a = Iv ou I = M/v

 

 

Sabe-se que um campo magnético pode também ser produzido por uma

corrente elétrica. Se o condutor for enrolado em forma de anel ou em solenóide, a

circulação de corrente gerará espirais. Esse campo magnético é designado pelo

símbolo “H” e também pode ser medido em oersted. No caso particular de um

solenóide longo, com “n” espirais por centímetro e percorrido por uma corrente de “i”

ampéres, a intensidade do campo no centro do solenóide será:

 

Page 63: TECNOLOGIA MECANICA

62

H =   4 ¶ ni

      ________       oersted

 

           10

 

Ao se introduzir nesse solenóide um núcleo ferromagnético, o campo H

induzirá no núcleo linhas de magnetização, devido à natureza ferromagnética do

material.Fisicamente, isso corresponde a um alinhamento dos dipolos elementares

do material, na direção do campo. Sendo o momento dos dipolos por unidade de

volume igual à intensidade de magnetização I, haverá 4 ¶ I linhas de força por

unidade de área do pólo magnético do núcleo. O fator 4 ¶ decorre ao fato de que

cada pólo unitário produz um campo unitário em todos os pontos da superfície

esférica e raio unitário que envolve o pólo.

 O número total de linhas de força no solenóide será agora igual a H + 4¶ I, o

que recebe o nome de indução magnética “B”

 

B = H + 4¶ I

 

A indução magnética correspondente a uma linha de força por centímetro

quadrado recebe o nome de 1 “Gauss”. No sistema inglês ela é expressa em linhas

por polegada quadrada e não tem um nome especial.

 

 

Page 64: TECNOLOGIA MECANICA

63

2.2 – Intensidade de saturação

 

Quando todos os dipolos elementares do material magnético estiverem

perfeitamente alinhados com o campo externo, a intensidade de magnetização

atinge um valor máximo, recebendo o nome de intensidade de saturação Is. Essa

intensidade de saturação depende da composição química, das fases presentes na

estrutura do material e de seu volume.

 

 2.3 – Permeabilidade

 

O valor da indução magnética por unidade de intensidade do campo recebe

o nome de permeabilidade.

 

          B

 µ  =  ___

 

           H

 

Como se verá adiante, nos materiais ferromagnéticos, B não é função linear

de H, de modo que a permeabilidade não é constante e depende da intensidade do

campo magnetizante.

 

 

Page 65: TECNOLOGIA MECANICA

64

2.4 – Suscetibilidade

 

É definida pela relação K = I/H de modo que está relacionada à

permeabilidade, da seguinte maneira:

 

B = H + 4¶ I

 

Dividindo por H:    B/H = 1 + 4¶ I/H

 

 

Ou: µ = 1 + 4¶ K

Propriedades magnéticas da matéria

As substâncias, em qualquer estado físico, possuem propriedades

magnéticas e podem ser classificadas numa das seguintes categorias:

 

1) materiais diamagnéticos

 

2) materiais paramagnéticos

 

3) materiais ferromagnéticos

 

Page 66: TECNOLOGIA MECANICA

65

Quando se colocam diversas substâncias num campo magnético, pode-se

observar que algumas se orientarão na direção do campo, ficando fortemente

magnetizadas. Estas recebem o nome de ferromagnéticas. Outras se magnetizam

fracamente, mas também se orientam paralelamente ao campo e são chamadas

paramagnéticas e, finalmente, outras dispor-se-ão normais ao campo, caso este não

seja uniforme e são as diamagnéticas. Como os efeitos magnéticos nas substâncias

dia e paramagnéticas são relativamente fracos, elas são consideradas como

materiais não magnéticos.

 

O diamagnetismo é uma propriedade inerente a todos os materiais e só não

é detectável na presença de efeitos paramagnéticos ou ferromagnéticos mais

intensos.

Langevin demonstrou que a aplicação de um campo magnético num sistema

de elétrons em movimento de translação induz um momento magnético que se opõe

ao campo externo. A variação do momento induzido com o campo é a

suscetibilidade diamagnética. Tanto a teoria de Langevin como as observações

experimentais demonstram que essa suscetibilidade é independente da temperatura.

 

Nos elementos que possuem órbitas eletrônicas incompletas, os momentos

magnéticos resultantes dos movimentos de translação e de rotação dos elétrons

podem não se compensarem e cada átomo no reticulado comportar-se-á como um

dipolo magnético, com orientação a esmo. A aplicação de um campo magnético

externo tenderá a orientar esses dipolos na direção do campo, o que constitui o

efeito paramagnético. Nestas circunstâncias, explica-se a influência da temperatura

neste efeito. No tratamento teórico do problema, Langevin calculou a relação entre o

momento magnético induzido e a temperatura, obtendo resultado que se verifica

com boa aproximação pelas determinações experimentais.

 

Page 67: TECNOLOGIA MECANICA

66

Em alguns casos, como por exemplo, no do cobre, o paramagnetismo fraco

dos elétrons das órbitas incompletas não contrabalança a contribuição diamagnética

das órbitas internas, de modo que o efeito resultante é diamagnético. As figuras 181

e 182 esquematizam a distribuição das linhas de força dos materiais dia e

paramagnéticos.

Os materiais ferromagnéticos diferem dos paramagnéticos por possuírem

uma permeabilidade que pode atingir valores milhares de vezes maiores que a dos

materiais paramagnéticos, cuja permeabilidade é constante e pouco superior a 1.

Além disso, a permeabilidade dos materiais ferromagnéticos depende da intensidade

do campo magnetizante, como mostra a figura 183.

 

Para a explicação do ferromagnetismo devem-se levar em conta dois

fenômenos importantes:

 

1) que esse comportamento só se observa em 4 dos 92 elementos

conhecidos, isto é, no ferro, cobalto, níquel e gadolínio;

 

2) que o elevado número magnético apresentado por esses elementos

depende do campo magnetizante.

 

O estudo teórico do assunto levou à conclusão que o efeito ferromagnético

depende do spin dos elétrons (267), de modo que cada elétron girando em torno de

si próprio comporta-se, como no caso das substâncias paramagnéticas, como um

dipolo elementar. Estes podem ser orientados paralelos aos campos externos, mas

normalmente não estão completamente orientados. O estado de mínima energia

num sistema atômico dá-se quando um certo número desses ímãs elementares está

orientado numa direção e um número equivalente, em sentido oposto. A propriedade

ferromagnética se manifesta quando o número de spins eletrônicos (momento

Page 68: TECNOLOGIA MECANICA

67

magnético devido ao spin) paralelos ao campo aplicado ultrapassa o número de

antiparalelos.

 O fato do ferromagnetismo só ser observado nos 4 elementos citados não é

acidental. Esses elementos de transição são caracterizados por possuírem órbitas

de alta densidade eletrônica não saturadas (órbitas d e f), de modo que tal equilíbrio

não se verifica. A teoria moderna, baseada na mecânica quântica, estabelece que,

em determinadas condições, o estado de mínima energia nessas órbitas ocorre

quando há uma preponderância de spins sobre antiparalelos. Essas condições são:

 

1) que o material esteja no estado sólido;

 

2) que a relação entre as distâncias interatômicas e os raios das órbitas

citadas dentro de certos limites.

 

Aplicando essas condições a diversos elementos, Beth (268) (269) e outros

pesquisadores verificaram que elas são satisfeitas pelos quatro elementos

ferromagnéticos.

 

3.1 – Domínios ferromagnéticos

 

As condições descritas no parágrafo anterior, quando satisfeitas, permitem a

interação entre elétrons das órbitas 3d de átomos vizinhos tendendo a orientá-las

magneticamente numa direção. Esse efeito se estende a pequenos volumes do

cristal, delimitando no seu interior regiões da ordem de 10-9 cm2, chamados

“domínios”. Nessas condições, cada cristal ou grão de um metal ferromagnético,

mesmo na ausência de um campo magnetizante externo, acha-se dividido em

domínios ferromagnéticos, com as características de dipolos elementares. O estado

Page 69: TECNOLOGIA MECANICA

68

macroscópico de desmagnetização é explicado como um resultado estatístico da

orientação a esmo dos domínios ferromagnéticos.

 Uma demonstração prática dessa teoria foi dada por Bitter, que obteve

desenhos em superfícies polidas de cristais ferromagnéticos pela distribuição

zonada de Fe2O3 em pó. Mais tarde, determinando-se as curvas de magnetização

por métodos eletrônicos sensíveis, observou-se que elas apresentam

descontinuidades durante a magnetização, que correspondem às que resultariam de

mudanças de direção em domínios da ordem de grandeza dos propostos pela teoria.

 

 3.2 – Curva de magnetização

 

Uma curva de magnetização, como a que se vê na figura 184, dá a variação

da indução B com a força magnetizante H.

 Nessa figura, o trecho que parte da origem e atinge o ponto mais elevado

da curva, corresponde à “curva de magnetização” e o ciclo fechado pela linha

externa representa o “ciclo de histerese” que decorre do fato dos fenômenos de

magnetização não serem fenômenos reversíveis, pois com a diminuição do campo

H, B não diminui de acordo com a curva de magnetização.

 

 O coeficiente angular das retas traçadas da origem a pontos da curva de

magnetização representa a permeabilidade do material, na correspondente

intensidade do campo magnetizante, ou da indução B. Pelo desenvolvimento da

curva de magnetização do ferro puro, pode-se ver que a permeabilidade varia com o

campo magnetizante de um modo não linear, passando por um máximo, que

corresponde à tangente tirada da origem do cotovelo da curva. A figura 185 mostra,

ainda no caso do ferro puro, a variação da permeabilidade µ com a indução B.

 

Page 70: TECNOLOGIA MECANICA

69

Como B está relacionado a H pela expressão   B = H + 4¶ I  

 

B cresce ilimitadamente com H.

 

Voltando à curva da figura 184 com a eliminação do campo H, o valor B não

volta a zero, mas reduz-se a um valor que recebe o nome de “indução residual”, ou

“remanência”. Essa remanência representa a magnetização retida pelo material. Se,

em seguida, for aplicado um campo de sentido oposto, o valor da magnetização

residual decrescerá progressivamente até zero. O valor do campo desmagnetizante

que anula a magnetização residual recebe o nome de “força coerciva”. Para campos

desmagnetizantes mais intensos, o ciclo se repete de modo análogo e simétrico ao

descrito.

 A irreversibilidade dos fenômenos de magnetização exige um consumo de

energia para que um dado volume de material percorra um ciclo de histerese. No

caso de campos continuamente alternantes, como os que ocorrem nos

transformadores, a cada ciclo da tensão corresponderá uma perda proporcional à

área do ciclo de histerese do material do núcleo. Por outro lado, as variações do

fluxo magnético geram no núcleo correntes elétricas que também se dissipam na

forma de calor e que recebem o nome de “correntes de Foucault”.

 A soma da perda devida à histerese com a perda devida às correntes de

Foucault recebe o nome de “perda do núcleo” e constitui uma característica

importante para a classificação dos materiais para núcleos transformadores.

 

3.3 – Características das curvas de magnetização

 

Na parte inicial das curvas de magnetização os fenômenos são praticamente

reversíveis e B varia de um modo aproximadamente linear com H. Nessa região, os

domínios com orientação favorável, em relação ao campo magnetizante, crescem às

Page 71: TECNOLOGIA MECANICA

70

expensas dos domínios vizinhos desfavoravelmente orientados, pelo movimento de

seus contornos, mantendo sua orientação com relação aos eixos cristalográficos.

 A parte média da curva é a região onde as perdas por histerese ocorrem.

Aqui a magnetização é irreversível e resulta de mudanças bruscas na orientação dos

domínios, associadas ainda a movimentos dos contornos. O cotovelo da curva

corresponde à orientação de todos os domínios paralelamente aos eixos

cristalográficos que mais se aproximam da direção do campo. Na parte superior da

curva, onde a magnetização tende à saturação, o fenômeno é novamente reversível.

Ele resulta da progressiva orientação dos domínios no sentido do campo.

 

 3.4 – Ansiotropia dos materiais magnéticos

 

De um modo geral, observa-se que nos materiais policristalinos a

suscetibilidade magnética é idêntica em todas as direções. Ao se considerar, porém,

um cristal isolado, ver-se-á que ele apresenta maior ou menor tendência para

magnetizar-se de acordo com determinadas direções cristalográficas. As figuras 186

e 187 ilustram essa afirmação. No caso do ferro (fig. 186), as direções [100] são as

de maior suscetibilidade, ao passo que para o níquel (fig. 187) as direções [111] são

as mais favoráveis.

 

Essa particularidade não teria importância prática se certos materiais

magnéticos, como as ligas Fe-Si, não manifestassem orientações preferenciais.

Certos metais e ligas metálicas quando encruados por laminação até determinadas

percentagens de redução, ao se recristalizarem por recozimento, desenvolvem os

novos grãos com seus eixos cristalográficos em orientações preferenciais. Nessas

condições, o comportamento ansiotrópico dos cristais e a orientação preferencial

desses cristais podem propocionar a um produto melhores propriedades magnéticas

em determinadas direções. É o caso das chapas Hipersil (Fe com 3,25% de Si) para

transformadores.

 

Page 72: TECNOLOGIA MECANICA

71

3.5 – Efeito de inclusões, fissuras e constituintes não magnéticos

 

A força magnetizante efetiva Hef  é constituída por duas parcelas: Hf, que

representa a intensidade do campo externo e Hd, que representa os campos

desmagnetizantes.

 Os campos desmagnetizantes são os campos que se formam nos

entreferros naturais, ou resultantes de trincas internas e nas inclusões e

constituintes não magnéticos. O aumento desses defeitos, ou desses constituintes,

diminui a força magnetizante efetiva e isso altera a curva de magnetização, como

mostra a figura 188.

 

 3.6 – Influência da temperatura nas propriedades ferromagnéticas

 

Ponto Curie – Opondo-se às forças ordenadoras das interações atômicas,

que promovem a formação dos domínios ferromagnéticos, existem forças

provocadas pela agitação térmica, que podem causar o desaparecimento desses

domínios. Como estas aumentam com a temperatura, há, para todos os materiais

ferromagnéticos, níveis de temperatura acima dos quais o efeito dispersivo da

agitação térmica anula a tendência orientadora das forças de interação atômica, de

modo que o material perde suas propriedades ferromagnéticas. Essa temperatura de

transição recebe o nome de “ponto Curie”.

 Resfriando-se o material abaixo do “ponto Curie”, suas características

ferromagnéticas são recuperadas. A figura 189 mostra a variação da intensidade de

saturação do ferro com a temperatura.

 

 

Page 73: TECNOLOGIA MECANICA

72

3.7 – Magnetoestricção

 

A magnetoestricção abrange todas as mudanças de dimensões que sofrem

os materiais ferromagnéticos quando submetidos a campos magnetizantes. Esse

fenômeno recebe várias denominações, como por exemplo, “efeito Joule”, quando

se trata da variação do comprimento da peça em campos transversais; “efeito

Barret”, quando for a variação do volume e “efeito Wiedemann” quando as variações

de dimensão devido a campos radiais provocam movimentos de torção.

Os materiais que se alongam quando submetidos a um campo magnético

possuem magnetoestricção positiva. Nestes materiais a permeabilidade aumenta

devido a deformações elásticas.

Tais materiais têm tido aplicação em eletrônica, na fabricação de osciladores

e filtros. No campo da tecnologia, sua aplicação mais interessante é para

transformar energia elétrica de freqüência ultrassônica em pulsações mecânicas

com a mesma freqüência como, por exemplo, nas máquinas perfuradoras para

materiais extremamente duros, onde tais dispositivos são utilizados para impulsionar

partículas de abrasivo contra o material a ser perfurado.

Metais e ligas para a indústria elétrica

Costuma-se dividir os materiais magnéticos para a indústria elétrica em dois

grupos:

 

a) Materiais de alta permeabilidade e baixa força coerciva, ou materiais

magneticamente moles.

 

b) Materiais de alta força coerciva, magneticamente duros, ou ímãs

permanentes. Neste grupo, a permeabilidade não é uma característica importante.

Page 74: TECNOLOGIA MECANICA

73

As designações, magneticamente mole ou duro, apesar de não se

destinarem a descrever a dureza mecânica desses materiais, mas sua resistência à

desmagnetização, de um modo geral, também representa seu comportamento

mecânico.

 Na parte de aços para fins magnéticos, serão denominados ferro ou ligas de

ferro, aos materiais magneticamente moles, nos quais o carbono existente ocorre

mais como impureza do que como elemento de liga.

 As ligas de ferro para ímãs permanentes que possuem teores mais

elevados de carbono são denominadas aços.

 

 4.1 – Materiais magneticamente moles

 

Este é o grupo mais importante dos materiais magnéticos. Trata-se de

materiais que necessitam ter alta intensidade de saturação, alta permeabilidade e

uma força coerciva bem pequena. A remanência pode ser baixa ou alta,conforme o

tipo de aplicação. Por exemplo, num relé sensível, de desligamento rápido,

necessita-se um material de baixa remanência para reduzir o agarramento quando

se corta o campo magnetizante.

 Na aplicação em corrente alternada necessita-se de ligas de baixa histerese

e de alta resistividade para diminuir a perda do núcleo.

 - Ferro, níquel e cobalto – Dentre os materiais magneticamente moles deve-

se estudar em primeiro lugar os três elementos ferromagnéticos mais comuns: ferro,

níquel e cobalto.

 O ferro quimicamente puro é o que apresenta melhores característica

magnéticas, mas seu preço é muito elevado para as aplicações normais. Para

substituí-lo, usam-se os aços extra-doces, que apesar de inferiores, dão resultados

satisfatórios.

 

Page 75: TECNOLOGIA MECANICA

74

O Ni e o Co são elementos menos ferromagnéticos do que o Fe e de preço

mais elevado.

 A Tabela 138 dá a variação da indução B com a força magnetizante H para

esses 3 elementos. O ferro é indicado para quase toas as aplicações em corrente

contínua. Para corrente alternada não é indicado, pois possui baixa resistividade (10

µom-cm), de modo que as perdas por correntes de Foucault são elevadas.

 

Tabela 138 – Variação da indução B com a força magnetizante H

 

H

(oersted)

B (gauss)

Ferro Níquel Cobalto

20 15500 5100 1200

40 16200 5500 2800

60 16800 5700 4400

80 17300 5800 6000

100 17700 5900 6800

120 17900 6000 7500

 

 

- Ligas ferro-silício – Estas são as ligas de maior consumo na indústria de

produtos elétricos. As adições de silício ao ferro aumentam consideravelmente sua

resistividade, como mostra a figura 191; portanto diminui a perda do núcleo. O silício

diminui a intensidade de saturação do ferro, mas não afeta apreciavelmente a

permeabilidade e a perda por histerese.

Page 76: TECNOLOGIA MECANICA

75

Do ponto de vista das propriedades mecânicas, observa-se que o silício

acima de certos teores torna o material frágil e difícil de ser trabalhado. Esse

comportamento, como se vê na figura 192 (270), depende da temperatura. Para

cada composição, existe uma temperatura mínima necessária para o trabalho

mecânico. Por exemplo, para temperatura ambiente o referido gráfico mostra que o

teor máximo de silício é de 3,5%.

Uma das ligas mais importantes desta categoria é o Hipersil, com 3,25% do

Si.

 As ligas Fe-Si, com este teor de silício apresentam a anisotropia magnética

do ferro puro, de modo que, com seqüências de encruamentos críticos por

laminação e recristalização controlada, a maioria dos grãos fica com um plano (100)

no plano da laminação e com uma direção [100] na direção da laminação.

 A curva de magnetização do Hipersil aproxima-se bastante da de um anel

quadrado cortado de um cristal único de Fe-Si (3,9%), com um lado paralelo à

direção [100].

 A Tabela 139 (269) enumera alguns tipos de ligas Fe-Si, fabricadas na

forma de chapas. Seu emprego faz-se em:

 

1) Motores fracionários de baixo custo, para uso intermitente.

 

2) Motores fracionários e peças polares e outros circuitos magnéticos de alta

permeabilidade.

 

3) Motores e geradores da melhor qualidade. Transformadores pequenos

para uso intermitente, relés e reatores.

 

4) Motores e geradores de eficiência média. Transformadores pequenos e

reatores.

Page 77: TECNOLOGIA MECANICA

76

 

5) Motores e geradores de alta eficiência e tamanho médio.

Transformadores de uso intermitente, reatores, medidores elétricos, peças polares

laminadas.

 

6) Transformadores de alta eficiência, para redes de distribuição.

 

7) Todos os tipos de transformadores, para redes de distribuição e máquinas

elétricas de alta eficiência.

 

Convém mencionar que as ligas ferro-silício para fins elétricos são

produzidas na forma de chapas laminadas a frio e recozidas, em dois tipos: de grão

orientado e de grão não-orientado.

 

As ligas de grão orientado apresentam baixa perda elétrica e elevada

permeabilidade magnética, propriedades requeridas para aplicações como núcleos

de transformadores e geradores de potência.

 As de grão não-orientado, também produzidas por laminação a frio e

recozidas, apresentam excelente permeabilidade em altas induções, baixo valor

médio de perdas magnéticas e nelas pode aplicado um revestimento isolante. São

empregadas em amplificadores magnéticos, transformadores de potência e

distribuição, geradores para usinas hidroelétricas, pequenos motores de corrente

contínua e motores de corrente alternada de tamanho médio, medidores de energia,

transformadores reguladores de tensão, transformadores para aparelhos de rádio e

televisão, transformadores para máquinas de soldagem, motores para aparelhos

eleltro-domésticos, reatores de lâmpadas fluorescentes, peças polares, núcleos de

relés, etc.

Page 78: TECNOLOGIA MECANICA

77

Tabela 139 – Propriedades físicas e magnéticas típicas de chapas de Fe-Si

 

T

eor

aproxim

ado de

Si, %

Tipo

ou Marca

Re

sistividad

e de

micro-

ohms-cm

P

erda

do

núcle

o

máxi

ma

(watt

s-kg

em 60

ciclos

)

Limi

te de

resistência

à tração

Al

ongament

o em 25

mm %

E

mpreg

o

k

gf/

mm2

M

Pa

0

,25/0,30

“Cam

po”

28 5

,1

- - - (

1)

0

,50/0,60

“Arma

dura”

28 3

,4

3

1,0

3

00

25 (

2)

1

,25/1,50

“Elétri

co”

44 3

,7

3

5,0

3

40

22 (

3)

2

,50/2,75

“Moto

r”

44 2

,5

4

7,5

4

65

14 (

4)

2

,75/3,25

“Dína

mo”

50 2

,1

- - - (

5)

3

,25/3,50

“Hiper

sil”

50 2

,1

4

9,0

4

80

12 (

6)

3

,60/4,00

“Tran

sformador72”

52 1

,58

5

6,0

5

50

8 (

7)

Page 79: TECNOLOGIA MECANICA

78

4

,00/4,25

“Tran

sformador65”

58 1

,43

5

0,5

4

95

6 (

7)

4

,25/4,50

“Tran

sformador58”

60 1

,27

5

3,0

5

20

5 (

7)

4

,50/4,75

“Tran

sformador52”

65 1

,15

4

9,0

4

80

2 (

7)

 

 

- Ligas ferro-níquel – Este é o segundo grupo importante de ligas de alta

permeabilidade, à base de ferro.

 

A figura 139 (271) mostra a variação da intensidade de saturação nas ligas

Fe-Ni em função da composição. Acima de 50% de níquel têm-se materiais com

propriedades magnéticas diversas, embora mantenham alta permeabilidade e baixa

perda. Estes materiais são indicados para instrumentos que operam com uma baixa

densidade de fluxo.

 

As ligas comerciais Hipernik e Permalloy cobrem as faixas de composição

em torno de 50% e 78% de níquel, respectivamente.

 

Os Hiperniks possuem uma intensidade de saturação da ordem de 16000

gauss e os Permalloys da ordem de 11000 gauss.

 

Acima de 33% de níquel, a resistividade dessas ligas diminui continuamente

de 85 para 16 µohm-cm. Esse fato, associado à sensibilidade das propriedades

magnéticas dessas ligas aos tratamentos térmicos, devido a reações ordem-

desordem correspondentes à composição FeNi (78% Ni), possibilita obter

Page 80: TECNOLOGIA MECANICA

79

propriedades magnéticas interessantes, como o ciclo de histerese retangular da

figura 194 que resulta de um resfriamento em campo magnético, através do ponto

Curie.

Em composições em torno de 81% de níquel, acredita-se que ocorra uma

quantidade crítica de reação ordem-desordem, que anula a magnetoestricção

(fig.190) e a anisotropia magnética, dando materiais policristalinos de alta

permeabilidade.

 As adições de cromo, molibdênio e cobre diminuem as velocidades críticas

exigidas nessa transformação, o que favorece a utilização prática dessas ligas. O

carbono, o oxigênio e o enxofre têm efeito contrário. Outra particularidade importante

deste sistema é que quase todas as ligas são bastante dúcteis, não existindo

portanto problemas na estampagem ou corte desses materiais.

A Tabela 140 mostra algumas das mais importantes ligas Fe-Ni.

 As ligas Fe-Ni são aplicadas principalmente em instrumentos elétricos,

circuitos telefônicos, transmissores de rádio e aparelhos de rádio.

  

Tabela 140 – Ligas Fe-Ni

 

De

nominaçã

o

Compo

sição, %

Característicos

F

e

N

i

O

utros

element

os

Per

meabilidade

inicial

Per

meabilidade

máxima

S

aturaçã

o 4 ¶ Is

Re

sistividad

e

microhm-

cm

Per

malloy 45

5

4

4

5

- 2500 2500

0

1

6000

50

Per 2 7 - 8000 1000 1 16

Page 81: TECNOLOGIA MECANICA

80

malloy 78 1 8 00 0000

Per

malloy 4-79

1

6

7

9

4

Mo

2000

0

8000

0

8

700

57

Hip

ernik

5

0

5

0

- 4000 8000

0

1

6000

35

Mu

metal

1

8

7

5

2

Cr, 5Cu

2000

0

1100

00

7

200

60

Su

permalloy

1

5

7

9

5

Mo

1000

00

8000

00

8

000

60

 

 

- Ligas ferro-cobalto – O sistema Fe-Co é o que apresenta maior intensidade

de saturação, com valores de 4 ¶ Is da ordem de 24200 gauss. Esse valor de B-H

para o ferro é de 21600, para as ligas de Fe-Si (1%) é de 21000 e para o Fe-Si (4-

5%), de 19000.

 

Esta característica associada aos valores de indução B, na faixa de H = 10

a 400 oersteds, possibilita reduções da ordem de 20% no peso das máquinas

elétricas. Tal propriedade se manifesta em torno de 40% de cobalto, o que restringe

a aplicação dessas ligas devido ao elevado custo desse metal.

 

Existem dois tipos comerciais:

 

“Hiperco”, com 35% de cobalto, usado nas aplicações das ligas Fe-Si.

 

Page 82: TECNOLOGIA MECANICA

81

“Permendur”, com 50% de cobalto, cujo uso é restrito a aplicações muito

especiais em circuitos telefônicos.

4.2 – Materiais com permeabilidade constante

 

Os equipamentos telefônicos e radiofônicos exigem materiais com

permeabilidade constante, para evitar distorções na forma das ondas. Para isso,

empregam-se materiais cuja permeabilidade não varia com o campo magnetizante,

se este for mantido dentro de certos limites.

 Essa propriedade pode ser conseguida à custa de tratamentos térmicos,

deformações plásticas, densidade de fases não magnéticas, ou entreferros, em

certas composições químicas. A aplicação de temperaturas elevadas de

recozimento, esforços de tração, ou resfriamento em campos magnéticos destroem

essa permeabilidade constante.

 É ainda no sistema Fe-Ni que se encontra a maioria dos materiais com essa

característica. Por exemplo, as ligas Conpernick, com 40-60% de Ni, dão

permeabilidade constante em densidades de fluxo até 100 gauss, quando encruadas

e recozidas entre 500°C e 800°C.

 O Perminvar (fig. 196), que é uma liga com 30% de Fe 45% de Ni e 25% de

Co, quando recozida 25 horas a 425°C, dá a curva de magnetização representada

por (B) na referida figura.

 

Adicionando-se 3-4% de alumínio e 10-15% de cobre às ligas com 40-50%

de Ni e encruando-se até 90% de redução, obtêm-se o Isoperm (fig. 197). Um

recozimento a1000°C depois de um encruamento prévio tem influência nos

resultados obtidos no encruamento final, o que leva a crer que o mecanismo do qual

decorre essa permeabilidade constante seja um processo de precipitação, ativada

pelo encruamento final.

 

Page 83: TECNOLOGIA MECANICA

82

Ainda na categoria de materiais de permeabilidade constante, têm-se os

núcleos de pós de materiais magnéticos aglomerados com materiais isolantes.

Obtêm-se por esse método materiais com permeabilidade controlada e com alta

resistividade, adequado ao emprego em alta freqüência. Neste caso, pode-se utilizar

materiais os mais diversos, pois o aglomerado não metálico, que constitui a fase

contínua do compactado, vai modificar a curva de magnetização, como mostra a

figura 198. Permeabilidades de 20 a 80 podem ser obtidas em núcleos para

aparelhos telefônicos e de 5 a 20 para rádio freqüência, com variação com o campo

magnetização inferior a 10%.

 

4.3 – Materiais para ímãs permanentes

 

Este grupo é constituído pelos materiais magneticamente duros, isto é, com

alta remanência e alta força coerciva. Embora a maioria destes materiais seja

mecanicamente duro, não há necessariamente uma correlação entre a dureza

mecânica e a resistência à desmagnetização, pois existem materiais cuja força

coerciva aumenta com a diminuição da dureza.

 Nos aços, o estado de tensões internas resultantes de deformações

elásticas do reticulado favorece as propriedades magnéticas exigidas nos ímãs

permanentes. Desse modo, os aços temperados, ou as ligas que são suscetíveis de

endurecer por precipitação, dão melhores resultados que no estado recozido.

 O critério para avaliação de um ímã permanente é o produto (BH)max

obtido de sua curva de desmagnetização. Esse produto é proporcional à máxima

energia magnética, no entreferro, por unidade de volume do material. Nas diversas

aplicações desses materiais, as condições de eficiência decorrem de projetos que

garantam densidades de fluxo correspondentes ao produto (BH)max.

 

Page 84: TECNOLOGIA MECANICA

83

A retenção do estado de magnetização depende dos seguintes fatores:

 

a) temperatura;

 

b) vibrações;

 

c) campos magnéticos externos;

 

d) produção de novos pólos.

 

A temperatura e uma das causas mais freqüentes pela perda de

magnetização. Os aços ao cobalto e ao cromo perdem seu magnetismo a 100°C e

os Alnicos a 300°C.

 

- Ímãs de aços martensíticos – Os aços com 1% de carbono, temperados,

apresentam como constituinte metalográfico a martensita, que é, como se sabe, uma

solução sólida metaestável de carbono em um reticulado tetragonal de ferro,

fortemente deformado.

 

Dentre os aços comuns, os que possuem essa estrutura são os que

apresentam melhores propriedades para ímãs permanentes, isto é, um produto

(BH)max mais elevado.

 O alívio de estado de tensões, típico da presença de martensita, ou por

diminuição do teor de carbono, ou por um revenido, diminui o produto BH. Por outro

lado, a adição de elementos de liga que formem carbonetos estáveis que atuem

como centros de deformação do reticulado melhora as propriedades magnética.

Page 85: TECNOLOGIA MECANICA

84

Tem-se assim os aços com 5-6% de tungstênio que dão (BH)max = 0,34 X

106 , portanto, superior ao do aço comum com 1,14% de carbono que somente

atinge a 0,18 X 106 .

O cromo pode substituir o tungstênio e um aço com 5% de cromo e 1% de

carbono, temperado em óleo dá (BH)max = 0,28 X 106 .

No grupo dos aços martensíticos, os que apresentam melhores

característicos são os aços-cobalto. Uma análise típica é 35%Co, 2%Cr, 4%W e

0,90%C. Esse material temperado de 950°C em óleo dá (BH)max = 1,10 X 106  .

 

A Tabela 141 (267) apresenta os tipos mais usados de aços para ímãs

permanentes.

 

Tabela 141 – Tipos comerciais de aços para ímãs permanentes

 

T

ipo

de

o

Composição, (%) Propried

ades

magnéticas

Te

mperatura

de

têmpera

°C

M

eio de

têmper

aC M

n

C

r

W C

o

M

o

I

nduçã

o

residu

al

gauss

F

orça

coerciv

a

oersted

s

C

-Mn

0

,80

0

,80

- - - - 1

0000

4

3

790 Á

gua

C

r

0

,60

0

,40

0

,90

- - - 1

0000

5

0

790 Ó

leo

Page 86: TECNOLOGIA MECANICA

85

C

r

0

,90

0

,35

2

,25

- - - 9

000

5

8

815 Á

gua ou

Óleo

C

r

0

,95

0

,20-

0,60

3

,0-

4,0

- - - 9

500

6

3

830 Ó

leo

C

r

1

,00

0

,35

6

,00

- - - 9

000

7

2

845 Ó

leo

C

r-

Mo

1

,00

0

,35

4

,00

- - 0

,35

9

000

6

5

845 Ó

leo

W 0

,70

0

,30

0

,20

5

,50

- - 1

0000

6

5

845 Á

gua

W

-Cr

0

,70

0

,50

0

,50

6

,00

- - 9

000

7

0

830 Ó

leo

C

o-

Cr-

W

0

,90

0

,35

4

,75

1

,25

8

,50

- 7

500

1

20

900 Ó

leo

C

o-

Cr-

W

0

,90

0

,30-

0,85

3

,5-

7,0

3

,5-

7,0

3

5,00-

41,0

0

- 9

700

2

35

925 Ó

leo

C

o-

Cr-

Mo

0

,95

0

,30

9

,0

- 1

6,00

1

,30

8

000

1

80

* A

r

C

o-W

0

,85

0

,50

2

,0-

8 1 - 9 1 955 Ó

Page 87: TECNOLOGIA MECANICA

86

5,0 ,75 7,00 000 65 leo

*Tratamento térmico: aquecer a 1150°C e resfriar ao ar; reaquecer

a 620°C e resfriar ao ar; aquecer de novo a 1010°C resfriando em seguida ao ar.

 

- Ligas endurecíveis por precipitação – O estado de tensões internas

necessário para que uma matriz de ferro apresenta uma remanência e uma força

coerciva alta pode ser provocado pela precipitação de uma fase diferente da matriz.

Por exemplo, as ligas binárias Fe-W, com 28% de W, precipitam a fase Fe3W2, se

quando solubilizadas a 1430°C e temperadas, foram em seguida envelhecidas

a 760°C. Obtém assim um (BH)max = 1,02 X  106.

 

Outras ligas, sem carbono, como mostra a Tabela 142, dão melhores

resultados que os aços com elementos de liga. Todas necessitam de tratamentos

térmicos.

 

Tabela 142 – Tipos de ligas endurecíveis por precipitação para ímãs

permanentes

 

T

ipo

de

liga

Composição, (%) Propriedades

magnéticas

M

o

C

o

N

i

T

i

W Hc B

r

(B.

H.)max.

F

e-Mo-

Co

1

7

1

2

- - - 25

0

1

0500

1,1

X 106

F

e-W-

- 2

4

- - 2

7

14

9

9

600

1,4

X 106

Page 88: TECNOLOGIA MECANICA

87

Co

F

e-Mo

2

3,4

- - - - 21

9

7

000

1,5

X 106

F

e-Co-

Ni-Ti

- 3

0

1

6

1

2

- 92

0

6

350

2,0

X 106

 

Tabela 143 - Tipos de Alnico para ímãs permanentes

Lig

a

Composição, (%) Propriedades

magnéticas

Obs

ervações

A

l

N

i

C

o

O

utros

F

e

H

c

B

r

(B

.H.)max.

Alni

co I

1

2

2

0

5 - R

est.

4

40

7

200

1,

4 X 106

Duro

e frágil

Alni

co II

1

0

1

7

1

2,5

6

Cu

R

est.

5

50

7

200

1,

6 X 106

Duro

e frágil

Alni

co II

(sinterizado

)

1

0

1

7

1

2,5

6

Cu

R

est.

5

20

6

900

1,

4 X 106

Duro

Alni

co III

1

2

2

5

- - R

est.

4

50

6

700

1,

38 X 106

Duro

e frágil

Alni

co IV

1

2

2

8

5

,0

- R

est.

7

00

5

500

1,

3 X 106

Duro

e frágil

Alni

co V

8 1

4

2

4

3

Cu

R

est.

5

50

1

2500

4,

5 X 106

Duro

e frágil

Page 89: TECNOLOGIA MECANICA

88

Alni

co VI

8 1

5

2

4

3

Cu

1

Ti

R

est.

7

50

1

0000

3,

5 X 106

Duro

e frágil

Alni

co XII

6 1

8

3

5

8

Ti

R

est.

9

50

5

800

1,

5 X 106

Duro

e frágil

REFERÊNCIAS

http://www.essel.com.br/cursos/material/01/ProcessosFabricacao/

58proc3.pdf

http://www.slideshare.net/superleco/afiao-de-ferramentas

http://www.youtube.com/watch?v=hjzPxl5N9Mw