Introdução à metalurgia para Curso Técnico em Metalurgia e Materiais

GAMA – Escola Técnica e Profissionalizante

INTRODUÇÃ À METALURGIA

Jadir Cruz Revisão: 3 - Março de 2014

INTRODUÇÃO

À

METALURGIA

Jadir Cruz

Março 2014 - Revisão 3




CONCEITOS IMPORTANTES

METALURGIA: É o estudo das técnicas de extração e transformação dos metais.

SIDERURGIA : É o ramo da metalurgia que se trata apenas do metal ferro. É a metalurgia do ferro e do aço.

METAIS:Compostos químicos sólidos, inorgânicos, que ocorrem naturalmente na crosta terrestre. Tem composição química definida (não fixa) e arranjo atômico altamente ordenado





MINERAIS:Compostos químicos sólidos, inorgânicos, que ocorrem naturalmente na crosta terrestre. Tem composição química definida (não fixa) e arranjo atômico altamente ordenado

MINÉRIOS:São minerais dos quais se pode extrair metais por processos economicamente vantajosos.





ESTÉRIL:É o corpo da rocha onde se encontra o mineral, porém não pode ser aproveitado como minério. A existência de grandes quantidades de estéril pode aumentar muito o custo da mina ou até inviabilizá-la economicamente.

GANGA: É o conjunto das impurezas contidas no minério e é responsável pela perda da qualidade química do minério, além de afetar as suas propriedades mecânicas.




DIVISÃO DA METALURGIA

Metalografia: é o estudo da estrutura dos metais

O estudo metalográfico permite determinar as diversas características do material, inclusive as causas de fraturas, desgastes prematuros e outros tipos de falhas.

1 - METALURGIA FÍSICA:METALOGRAFIA

TRATAMENTOS TÉRMICOS





Tratamentos Térmicos: São processos de aquecimento e resfriamento de metais, com o objetivo de alterar a sua estrutura e consequentemente as suas propriedades físicas e químicas.Os tratamentos térmicos podem ser usados como procedimentos intermediários para melhorar as propriedades do metal a ser trabalhado ou como operação final para que o metal adquira propriedades finais necessárias para a sua utilização.





2 - METALURGIA DE TRANSFORMAÇÃO

FUNDIÇÃOSOLDAGEMCONFORMAÇÃO MECÂNICA

FUNDIÇÃO: Processo utilizado para dar forma aos materiais por meio da sua fusão, vazamento em moldes adequados e posterior solidificação.





SOLDAGEM: Processo que visa a união localizada de materiais, similares ou não, de forma permanente, baseada no uso de aquecimento e fusão parcial das partes a serem unidas.





CONFORMAÇÃO MECÂNICA: São processos que alteram a forma do material através da aplicação de forças por equipamento ou ferramentas adequadas (prensas, matrizes, fieiras, cilindros, etc)

Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio ou a quente.

Principais processos de Conformação Mecânica:

FORJAMENTOLAMINAÇÃOEXTRUSÃOTREFILAÇÃO





FORJAMENTO: Conformação por esforços de compressão, fazendo com que o material assuma o contorno da matriz que é a ferramenta usada na conformação.

FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA





FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA





LAMINAÇÃO: Conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, reduzindo a seção transversal.Os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, tubos, perfis diversos.

Laminador duo não reversívelLaminador duo reversível





Laminador Universal

LAMINAÇÃO:

Laminador trio





EXTRUSÃO: Processo em que a peça é “empurrada” e forçada a passar com alta pressão, contra uma matriz, com redução da sua seção transversal. Parâmetros de controle da extrusão: Velocidade, Pressão e Temperatura. Estes parâmetros influenciam nas propriedades dos produtos obtidos.

TREFILAÇÃO: Processo em que a peça é puxada (força de tração) através de uma matriz chamada fieira ou trefila, provocando a redução da seção transversal e o respectivo aumento no comprimento do material.Produtos: barras, fios, vergalhões e arames.





Processos de trefilação a frio – para pequenas deformações.

Processos de trefilação a quente – para grandes deformações.

Perfil: Normalmente circular (não é pré requisito).

Fieira ou trefila – É uma uma carcaça de aço e um núcleo de material duro, geralmente feito de Carbeto de Tungstênio (WC) – Tem elevada resistência ao desgaste por abrasão e corrosão

F0 - Extrusão

F1 - Trefilação





Trefilação típica de barras

Trefilação típica de arame





3 - METALURGIA DO PÓ É o ramo da metalurgia que trata da obtenção dos pós metálicos e na sua transformação em peças de alta precisão, através da aplicação de pressão sobre eles. A aplicação de calor durante ou após a compactação é utilizada para aumentar a ligação entre as partículas. Este processo de aquecimento abaixo do ponto de fusão é conhecido por sinterização.





Os pós metálicos ou não metálicos são comprimidos no interior de um molde com o formato desejado, formando um “compactado verde”, que será posteriormente sinterizado para adquirir resistência mecânica. SINTERIZAÇÃO: O processo de sinterização na metalurgia do pó consiste em aquecer o material a temperaturas abaixo do ponto de fusão fazendo com que as partículas se unam pelas zonas de contato.




EXEMPLOS DE MATERIAIS PRODUZIDOS ATRAVÉS DA METALURGIA DO PÓ


COMPONENTES AUTOMOTIVOS





MATERIAIS POROSOS - FILTROS

CONTATOS ELÉTRICOSMETAL DURO –

FERRAMENTAS DE CORTE




CARACTERÍSTICAS DOS PRODUTOS SINTERIZADOS:

Têm elevada porosidade, o que pode ser controlado através da pressão de compactação, tempo e temperatura de sinterização e do tamanho e forma das partículas do pó.





4 - METALURGIA DOS METAIS NÃO FERROSOS

Denomina-se metalurgia dos metais não ferrosos, o estudo da extração, fabricação e transformação dos metais em que não haja ferro ou em que o ferro esteja presente, mas em pequenas quantidades (apenas como elemento de liga).

Os metais não ferrosos, quando comparados com os aços carbono, são normalmente mais caros, apresentam maior resistência à corrosão e melhor resistência mecânica em temperaturas baixas, porém a resistência mecânica é menor em temperaturas elevadas.





Os processos de obtenção dos não ferrosos, exigem os conhecimentos em pirometalurgia, hidrometalurgia e eletrometalurgia

Pirometalurgia: É o ramo da metalurgia baseado na obtenção e refinação dos metais utilizando o calor. Quase todos os metais são obtidos do mineral ou de seu concentrado por processos pirometarlúgicos.É um dos mais antigos e importantes dos métodos extrativos de metais utilizados pelo homem.





Hidrometalurgia: O termo Hidrometalurgia designa processos de extração de metais nos quais a principal etapa de separação metal-ganga envolve reações de dissolução do mineral que contém o metal de interesse em meio aquoso.




Fluxograma genérico de processo hidrometalúrgico





Eletrometalurgia: É a parte da metalurgia que engloba os processos de obtenção de metais através da eletrolise.

Eletrólise: e um processo que separa os elementos químicos de um composto através do uso da corrente elétrica.





Principais metais não ferrosos utilizados nos processos industriais

• Cobre e suas ligas• Alumínio e sua ligas;• Níquel e suas ligas;• Zinco e suas ligas;• Estanho e suas ligas;• Chumbo e suas ligas;• Titânio e suas ligas;• Platina e suas ligas;• Magnésio e suas ligas.





5 – SIDERURGIA É o ramo da metalurgia que estuda apenas o metal ferro. É a metalurgia do ferro e do aço. AÇO

É um material metálico constituído essencialmente de ferro e com carbono até aproximadamente 2% (comercialmente até 1%), contendo, ainda, outros elementos.

NOTA: Teor de carbono no aço 0,008 a 2,11%





FERRO FUNDIDO

É um material metálico constituído essencialmente de ferro, carbono e silício, com teores de carbono acima de 2%.

FERRO-GUSA

É o produto dos processos de redução (alto-forno e corex) e é constituído de ferro, carbono (~4%), silício, manganês, fósforo e enxofre. Ele é um ferro fundido!




CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

MetaisCerâmicosPolímeros

METAIS:

São compostos químicos sólidos, que ocorrem naturalmente na crosta terrestre, tem composição química definida e arranjo atômico ordenado.

Os metais se caracterizam por sua boa condutividade térmica e elétrica e normalmente têm outras características como:




Ductilidade: Capacidade de ser transformada em fios.

Maleabilidade: Capacidade de ser transformada em lâminas.

Elasticidade: Propriedade que um metal tem de se deformar, quando um esforço é aplicado sobre ele, e de voltar a forma anterior, quando o esforço deixar de ser aplicado.

Plasticidade: Propriedade que um metal tem de manter uma determinada deformação, se um esforço for aplicado sobre ele, e permanecer deformado quando o esforço parar de existir.

Tenacidade: Capacidade de resistir à tração. Diz respeito à forma ou facilidade com que um corpo se quebra ou se dobra.




São materiais inorgânicos, não-metálicos, que são submetidos a altas temperaturas durante processo de manufatura ou uso.

MATERIAIS CERÂMICOS:

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS

•Vidros

•Produtos à base de argila

•Refratários;

•Cimentos




São compostos químicos produzidos através da combinação química de um grande número de moléculas menores que se repetem. Estas unidades pequenas que se repetem são chamadas monômeros. Fazem parte do grupo dos polímeros: os plásticos, as borrachas e as fibras sintéticas.Polietileno = Poli + etileno (C2H4)Poliuretano = Poli + etano (C2H6)

POLÍMEROS:




CLASSIFICAÇÃO DOS METAIS

•Ligas Ferrosas•Ligas Não Ferrosas

Ligas Ferrosas: São aquelas onde o ferro é o constituinte

principal. São extremamente versáteis, porque podem ser

adaptadas para atender uma ampla variedade de

propriedades físicas e mecânicas. A desvantagem dessas

ligas é que elas são suscetíveis à corrosão.

Exemplos de ligas ferrosas: os aços e os ferros fundidos.




Ligas Não Ferrosas: São ligas que não possuem o ferro como constituinte principal.Exemplos:

Ligas de cobre: Latão: Cobre + ZincoBronze: Cobre + Estanho (mais outros

elementos como silício, alumínio e níquel).

Ligas de alumínio, Liga de magnésio e outras.




Aços: São ligas de ferro-carbono, com baixo teor de carbono (entre 0,008 a 2,11%) e que podem conter outros elementos de liga.

As propriedades mecânicas variam em função do teor de carbono, que na prática é inferior a 1% e dependem também dos elementos de liga.

Os aços distinguem-se dos ferros fundidos que também são ligas de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11 e 6,67% (na prática em torno de 4,5%)




Classificação dos Aços:

São classificados com base em vários critérios, porém

existe uma relação entre estes critérios, visto que o

processamento e a composição química determinam

a microestrutura, a microestrutura determina as

propriedades e as propriedades vão determinar a

aplicação.




CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS POR DESIGNAÇÃO NORMATIVA:

Várias são as instituições normativas (nacionais e internacionais), que estabelecem critérios para classificação dos diversos tipos de aço utilizados na indústria.

Dentre as mais importantes podemos citar:

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (Brasileira);

AISI – American Iron and Steel Institute (Americana) – Instituto Americano do ferro e aço;

SAE – Society of Automotive Engineers (Americana) = Sociedade de engenheiros automotivos);




DIN – Deutsches Institut für Normung (Alemã) = Instituto Alemão para Normatização).

ASTM - American Society for Testing and Materials (Americana) = Sociedade Americana de Testes e Materiais.

JIS – Japanese Industrial Standards (Japonesa) = Padrões da Indústria Japonesa.




CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS CONFORME ABNT; SAE; AISI

São as mais utilizadas em todo o mundo para aços carbono e

os aços de baixa liga.

É baseada na composição química do aço e corresponde a uma

numeração de 4 ou 5 dígitos. Os dois dígitos finais XX

significam a % de carbono do material (multiplicada por 100),

podendo variar de 05 (que corresponde a 0,05% C até 95 que

corresponde a 0,95% C). Se a % de carbono atingir ou

ultrapassar 1%, o final passará a ter 3 dígitos (XXX) e a

classificação passará a ter um total de 5 dígitos.




RESUMO:

SAE 1XXX – aço-Carbono

SAE 10XX – aço-carbono simples

SAE 11XX – aço-carbono com S

SAE 12XX – aço-Carbono com S e P

SAE 13XX – aço-Manganês (com Mn abaixo de 1%)

SAE 14XX – aço-Carbono com Nb (Nióbio)

SAE 15XX – aço-manganês (com Mn acima de 1%) (Esta classificação considera a presença somente de carbono e das

impurezas normais como Si, Mn, P e S).

SAE 2XXX – aço-NíquelSAE 23XX e SAE 25XX




SAE 4XXX – aço-MolibdênioSAE 40XX (Mo) – SAE 41XX (Cr-Mo) – SAE 43XX (Ni-Cr-Mo) – SAE 46XX (Ni-Mo) - SAE 47XX (Ni-Cr-Mo) e SAE 48XX (Ni-Mo)

SAE 5XXX – aço-Cromo SAE 51XX

SAE 6XXX – aço-Cromo-Vanádio SAE 61XX

SAE 7XXX – aço-Cromo-Tungstênio

SAE 8XXX – aço-Níquel-Cromo-MolibdênioSAE 81XX – SAE 86XX – SAE 87XX

SAE 3XXX – aço-Níquel-CromoSAE 31XX – SAE 32XX – SAE 33XX – SAE 34XX




O 2º algarismo de cada classe muda de acordo com a variação dos teores dos elementos de liga.

Qualidades equivalentes:ABNT 1020 = AISI 1020 = SAE 1020 = DIN C20,

SAE 92XX – aço-Silício-Manganês SAE 93XX, 94XX, 97XX e 98XX – aço-Níquel-Cromo- Molibdênio




CLASSIFICAÇÃO CONFORME NORMA DIN

a) AÇOS CARBONO:

São indicados com a letra C, seguido do teor de carbono multiplicado por 100.Exemplo: Aço C20: Aço carbono com 0,20% C

Aço C45: Aço carbono com 0,45% C

b) AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA:

São classificados pelo seu limite de resistência à tração (Kgf/mm²), precedido de St (stahl) que significa aço em alemão.




Exemplos:

•St 42 significa um aço com limite de resistência a tração entre 42 e 50 Kgf/mm².

•St 60 significa um aço com limite de resistência a tração entre 60 e 72 Kgf/mm².

c) AÇOS DE BAIXA LIGA:Exemplo: 20 Cr Mo 9 15 – Aço ao cromo e molibdênio20 = teor de C multiplicado por 100Cr ; Mo = elementos de liga9 15 = Teores dos elementos de liga multiplicado por um fator K.




Outro exemplo: 10 Cr Mo 9 10

carbono = 0,1%; (10/100 => 0,1%)cromo = 2,25%; (9 / 4 => 2,25%)molibdênio =1,0% (10/10 = 1,0%)

Veja os elementos de liga, com seus respectivos fatores de multiplicação:

ELEMENTOS DE LIGAFATOR

MULTIPLICADOR

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

Al, Cu, Mo, Ti, V 10

C, P, S, W 100




d) AÇOS DE MÉDIA E ALTA LIGA:

Aços de média liga: A quantidade de elementos de liga está entre 5 e 10% (∑ E. L > 5% < 10%)

Aços de alta liga: A quantidade dos elementos de liga é superior a 10 %. (∑ E. L > 10%).

A designação para estes tipos de aço é formada pela letra “X”, seguida pela quantidade de carbono multiplicada por 100, seguida dos elementos químicos existentes, seguido de números que representam o teor desses elementos de liga.

Exemplo: X 10 Cr Ni Ti 18 9 2X = aço de média ou alta liga;10 = % de carbonono vezes 100Cr, Ni, Ti = elementos de liga




CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS DE ACORDO COM A QUANTIDADE DE CARBONO:

Aços com baixo teor de carbono: C < 0,25% (ductilidade elevada)Aços com médio teor de carbono: C entre 0,26 e 0,60%Aços com alto teor de carbono: C > 0,61% (limite de escoamento baixo = ductilidade baixa)

Ductilidade é a capacidade de um metal ser transformado em fios. Material dúctil é aquele que suporta grande deformação no ensaio de tração. Logo podemos também afirmar que ductilidade é a propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura.O oposto de dúctil é fragil (o material se rompe sem sofrer grande deformação).




Escoamento: É uma deformação permanente que ocorre durante o ensaio de tração, no início da fase plástica e sem que haja aumento da carga.

Estricção (%)




A estricção é a redução da seção transversal do corpo na região onde ocorrerá a ruptura. Ela ocorre depois de atingida a carga máxima.A estricção é usada como medida da ductilidade, ou seja, quanto maior a estricção, mais dúctil é o material.




Existe outra classificação dos aços em função do teor de carbono:

Aço extra doce: Carbono < 0,15%;

Aço meio doce: Carbono de 0,15% até 0,30%;

Aço meio duro: Carbono de 0,30% até 0,60%;

Aço duro: Carbono de 0,60% até 0,70%

Aço extra duro: Carbono de 0,70 até 2,00%.

NOTA: O aumento do teor de carbono do aço, aumenta a sua dureza e a sua resistência a abrasão, mas diminui a sua ductilidade.




CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS DE ACORDO COM A MICROESTRUTURA:

Antes de falar das microestruturas, é importante descrever as estruturas cristalinas dos metais:

Cúbica de faces centradas - CFC

Cúbica de corpo centrado - CCC

Hexagonal compacta - HC

O ferro metálico cristaliza-se sob duas dessas três estruturas, que são conhecidas também como formas alotrópicas do ferro:




Estrutura cúbica de corpo centrado: Ferrita ou ferro

alfa (α), que é estável abaixo de 910ºC;

Estrutura cúbica de face centrada: Austenita ou ferro

gama (γ), que é estável entre 910 e 1400ºC;

Estrutura cúbica de corpo centrado: Ferrita ou ferro

delta (δ), que é estável acima de 1400ºC, até a fusão (1535ºC)




Acima de 1536ºC, o ferro está líquido e não tem ordenação cristalina (estrutura amorfa).




Sistema Cúbico de Corpo Centrado

CCC




Sistema Cúbico de Faces Centradas

CFC




Os processamentos que visam alterar a estrutura dos metais são os tratamentos térmicos como recozimento, normalização, recristalização, coalescimento, têmpera e revenimento. Os tratamentos térmicos são os processamentos utilizados para alterar a estrutura dos metais, alterando também as suas propriedades. São aplicados para toda a classe dos produtos metálicos: laminados, extrudados, forjados, trefilados, estampados, fundidos ou sinterizados (metalurgia do pó).

Engineering

Introdução à metalurgia para Curso Técnico em Metalurgia e Materiais