Este documento descreve os processos de fabricação de metais e ligas metálicas, incluindo fundição, conformação e tratamentos térmicos. É discutido o alto-forno para produção de ferro gusa e os principais tipos de ligas ferrosas como aços carbono e inoxidáveis, e não ferrosas como ligas de cobre, alumínio e níquel.
2. Fabricação de metais e ligas
[Callister,1997:344]
Metais/
ligas
Fundição Forma
final
Forma
semifinal
Confor-
mação*
Forma
final
*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação
3. MATERIAIS METÁLICOS
FERROSOS NÃO FERROSOS
Ligas básicas
Fe-C
Ferros
fundidos
Aços •Sem liga
•Baixa liga
Outras ligas
Ferrosas
Fe-Ni
Fe-Cr
(-Ni)
•Ferríticos
•Austeníticos
•Martensíticos
•Dúplex
•PH
Fe-C-Mn
Ligas leves
Ligas Al
Ligas Mg
Ligas Be
Ligas Ti
Ligas Cu
Bronzes
Cu-Ni
Latões
Ligas Ni
Ligas Tm
Ligas Tm
(INOX)
(HADFIELD)
(MARAGING)
(REFRATÁRIOS)
Cinzento
Branco
Nodular
Maleável
5. Materiais ferrosos - Alto Forno
Zona de
combustão –
1650 C
Zona de fusão –
1200 C
Zona de redução –
200 a 500 C
Ferro
gusa
Escória
6.
7.
8.
9. Carvão Mineral
• O RS possui 88% das reservas do país, são estimadas
em 28 bilhões de ton, extração anual de 3,4 milhões de
ton.(400 anos);
• Uso energético (10,4% no RS, no mundo 40%);
• Potencial energético:
– Candiota: 3.300 kcal/kg – 53% cinza, deve ser queimado no
local
– Europeu: 8.000 kcal/kg – 6% cinza
• Ambiental: particulados SiO2, gases de SOx, N2, NOx,
CO2, CO.
12. LIGAS FERRO-CARBONO
AÇOS FERROS FUNDIDOS
Sem liga ou
Aço-carbono
0<%C<2 2<%C<4
Se não contiver
nenhum elemento de
liga em quantidade
superior aos mínimos
indicados
Aço ligado
Soma elementos de
liga menor que 5%
Aço de
baixa liga
Aço de
alta liga
Soma dos elementos
maior que 10%
Cinzento
Branco
Nodular
Maleável
13. •Aços de construção
•Aços-ferramenta
• Aços rápidos
• Aços trabalho quente
• Aços trabalho a frio
• Aços resist ao choque
•Aços especiais
• Resist. à corrosão
• Resistentes a altas
temperaturas
• Aços para molas, etc
Independentemente de ser ou não ligado, um aço pode ser
classificado segundo vários critérios:
Valor da tensão limite de
elasticidade:
•Aços comuns
σ<600MPa
•Aços de alta resistência
600<σ<1100MPa
•Aços de muito alta
resistência
1100<σ<1800MPa
•Aços de ultra alta resistência
σ>1800MPa
Resistência mecânica Teor em C Utilização
• Baixo C (%C<0,3)
• Médio C (0,3<C<0,7)
• Alto C (%C>0,7)
14. AÇOS AO CARBONO E
DE BAIXA LIGA
• Propriedades dependem
do trat. térmico e % de
deformação plástica
• Elevada tenacidade
• Podem atingir elevada
resistência e dureza
• Material por excelência
para construção
mecânica
15. AÇOS AO CARBONO
•Grande ductilidade
•Bons para extenso
trabalho mecânico e
para soldagem
•Construção de pontes,
edifícios, navios,
caldeiras, e peças de
grandes dimensões
em geral
•Não temperáveis
Baixo Carbono
(%C<0,3)
Médio Carbono
(0,3<%C<0,7)
Alto Carbono
(%C>0,7)
•Temperados e
revenidos atingem boa
tenacidade e
resistência
•Usados em eixos,
engrenagens, bielas,
trilhos, etc
•Elevadas dureza e
resistência depois de
têmpera
•Pequenas ferramentas
de baixo custo
•Componentes
agrícolas sujeitos a
desgaste
•Molas, engrenagens,
cames e excêntricos
17. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS
Juntam-se elementos de liga ao aço para obter propriedades e
características particulares que não são possíveis de outra forma:
•Melhoria de propriedades mecânicas
•Melhoria da temperabilidade
•Maior usinabilidade, resistência ao desgaste, à fadiga, etc.
•Melhoria de resistência à corrosão e oxidação
•Melhoria de propriedades mecânicas a baixas e/ou altas
temperaturas
18. AÇOS INOXIDÁVEIS (Fe-Cr-(Ni))
•Ligas à base de Fe, com um mínimo de 11%Cr em solução para
prevenirem a corrosão
•O carbono está presente em teores reduzidos (0,03% ferríticos até
1% martensíticos)
•Grande resistência à corrosão e elevada resistência mecânica
•Podem apresentar estrutura ferrítica, austenítica, martensítica, ou
mista, consoante as % de elementos de liga e/ou trat. térmico
19. TIPOS BÁSICOS DE AÇOS INOX
FERRÍTICOS AUSTENÍTICOS MARTENSÍTICOS
•11%Cr20, %C0,3
•Não podem ser
tratados
termicamente
•17%Cr25 ;
6%Ni20
•Estrutura austenítica
à temp. ambiente
•Não podem ser
tratados
termicamente
•Mais resistente
corrosão
•12%Cr18;0,1%C
1,2
•Quando temperados
atingem elevados
níveis de dureza e
resistência
20. FERROS FUNDIDOS
O processo (molde de areia, centrífuga, sob pressão, shell
molding, cera perdida) afeta o projeto e a qualidade do
produto final;
Comparar custos com peças soldadas;
O metal mais puro solidifica primeiro, há retração,
segregação e formação de grãos dendríticos;
Deve-se evitar estruturas colunares, segregação, vazios e
inclusões, limitando os gradientes de temperatura, usando
ligas próprias para fundição, seções de espessura uniforme
e raios generosos.
21. FERROS
FUNDIDOS
• Usados em geral para:
• Resistência ao
desgaste
• Isolamento de
vibrações
• Componentes de
grandes dimensões
• Peças de geometria complicada
22. FERROS FUNDIDOS – CARACTERÍSTICAS GERAIS
•Baixo ponto de fusão (em
relação aos aços)
•Elevada dureza e resistência ao
desgaste
•Boa resistência à corrosão
•Versatilidade de propriedades e
aplicações
•Grande fragilidade, logo, baixa
ductilidade
•Deformação plástica impossível
à temperatura ambiente
•Difíceis de usinar
•Soldagem muito limitada
•Domínio elástico não-linear
POSITIVAS NEGATIVAS
Ligas ternárias de Ferro, Carbono (2 a 4%) e Silício (1 a 3%)
23. FERROS FUNDIDOS – TIPOS BÁSICOS
FF CINZENTO
(Gray iron)
FF NODULAR
(Ductile iron)
FF BRANCO
(White iron)
FF MALEÁVEL
(Malleable iron)
Existe sobreposição de
composição química, pelo
que só se distinguem
através do processamento!
24. A – Ferrite
P – Perlite
Gf – Grafite em flocos
Gn – Grafite nodular
Gr – Grafite em rosetas
Tipos básicos de
ferros fundidos,
consoante a sua
composição,
microestrutura e
processamento
25. LIGAS NÃO FERROSAS
NÃO FERROSOS
Ligas leves
Ligas Al Ligas Mg
Ligas BeLigas Ti
Ligas Cu
Bronzes
Cu-NiLatões
Ligas para
altas
temperaturas.
Ligas baixo
ponto de fusão
Ligas
Refratárias
Ni
Pb, Sn, Zn Mo, Ta, W, Nb
26. LIGAS METÁLICAS
NÃO FERROSAS
• Usadas em geral para:
• Resistência à corrosão
• Resistência ao desgaste
• Condutividade elétrica
• Baixa densidade
• Resistência a altas
temperaturas (outras)
• Boas resistência e
rigidez específicas
27. LIGAS DE COBRE
GENERALIDADES
•Dos primeiros metais usados
•3-4 vezes mais caro que o Al e 6-7
vezes mais caro que o aço-
carbono
•Forma ligas c/ Sn, Zn, Al, Be, Ni, Si
•Existem 3 grupos básicos de ligas
•Latões: ligas Cu-Zn (existem
ainda os latões de chumbo, Cu-
Zn-Pb, de estanho, Cu-Zn-Sn...
•Bronzes: ligas Cu-Sn (existem
ainda os bronzes de alumínio,
Cu-Al, de silício, Cu-Si, de
berílio, Cu-Be)
•Cuproníqueis: ligas de Cu-Ni
PROPRIEDADES
•Excelente condutibilidade
elétrica
•Elevada condutibilidade térmica
•Elevada resistência à corrosão
•Algumas ligas podem atingir
resistência elevada
•Resist específica inferior ao aço
e Al
•Resist/custo inferior ao aço e Al
28. TRATAMENTOS
•Todas as ligas podem
sofrer encruamento
•Algumas ligas podem
ser tratadas por
envelhecimento
APLICAÇÕES
•70-80% de uso no
estado puro
•Coloração boa para
arquitetura, decoração e
joalharia
•A boa resistência à
corrosão leva a
aplicações na indústria
naval
•Tem as mais variadas
aplicações em todo o
tipo de indústria.
LIGAS DE COBRE
29.
30. NÍQUEL E SUAS LIGAS
GENERALIDADES
•Metal branco prateado
•Adicionado em ligas ferrosas
e não-ferrosas com mesmo
objetivo
•Ponto de fusão: 1453 °C
•Densidade (20 ºC): 8,9 g/cm3
PROPRIEDADES
•Confere resistência mecânica
em altas temperaturas
•Condutividade elétrica e
térmica
•Excelentes propriedades
magnéticas
•Boa resistência à corrosão
•Boa resistência à oxidação
31. NÍQUEL E SUAS LIGAS
APLICAÇÕES
TRATAMENTOS
•Endurecimento por
solução sólida por: Co,
Fe, Cr, Mo, W, V, Ti e Al
( 1 a 13% da #)
•Formadores de
carbonetos em ligas de
níquel: W, Ta, Ti, Mo,
Nb, Cr
•Endurecimento por
precipitação: fase ´
(Ni3(Al, Ti)
32. LIGAS DE BAIXO PONTO DE FUSÃO
GENERALIDADES
•Definidos como os materiais com temperatura de fusão
abaixo de 800 ºC
•Não são sensíveis ao trabalho a frio, não apresentando, por
isso, encruamento SIGNIFICATIVO por deformação plástica
•Apresentam fluência à temperatura ambiente, não sendo por
isso usados em aplicações estruturais
•São particularmente indicados para a obtenção de peças
fundidas devido à sua elevada fluidez e ao seu baixo ponto
de fusão
ZINCO CHUMBOESTANHO
33. ESTANHO - Sn
•Sn “puro” só é usado em
revestimentos
•Sensível ao trabalho a frio
mas amacia com o tempo
•Forma ligas com Sb e Cu
usadas em mancais de
escorregamento
•40% da produção vai para
revestimentos anti-
corrosivos de aço e cobre
•Usado em brasagem
34. CHUMBO - Pb
•Um dos metais mais pesados
•Substitui Sn em mancais
•Baterias de acumuladores
•Proteção contra raios e raios x
•Isolamento de som e vibrações
•Fundição de símbolos tipográficos
35. ZINCO - Zn
•Forma ligas com Al, Cu e Pb
•Muito usado em fundição de peças pelo baixo
ponto de fusão e elevada fluidez
•A produção divide-se em:
•Revestimentos – 40%
•Fundição peças – 26%
•Elemento de liga em latões – 18%
•Zinco laminado – 12%
•Outros – 4% (tintas anti-corrosivas, ânodos
consumíveis, etc)
36. Aplicações de Zinco e ligas de zinco
Materiais galvanizados mais importantes
Torres de transmissão
Postes e padrões elétricos
Acessórios diversos para transmissão elétrica
Fonte: Fogal – Galvanização a fogo Fonte: Fogal – Galvanização a fogo
37. Chapas de aço para automóveis, geladeiras, fogões e freezers;
Fonte:Rautaruukki - Finlândia
38. Fonte: Rautaruukki - Finlândia
Fonte: IZA – International Zinc Association
Fonte: CSN
39. Proteções para estradas, chamadas de "guard rails", cercas, sinalizações e parafusos
Fonte: Mangels – Galvanização a fogo
Fonte: Mangels – Galvanização a fogo
41. Grampos de cercas e pregos em geral;
Telas e telhas;
Fonte: Belgo Mineira Bekaert
Fonte: Morlan
Fonte: Morlan
42. Tubos e conexões de todos os tamanhos;
Fonte: Seminário de Galvanização a Fogo - BBosch
Fonte: Fogal – Galvanização a Fogo
43. 1.2 - LIGAS DE ZINCO PARA FUNDIÇÃO
a) Injeção de peças sob pressão (Zamac 3 e 5)
b) Fundição de peças centrifugadas (Zamac 8)
Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA
44. Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA
Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA
45. Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA
Fonte: DeZign - A design guide for die casting - IZA
51. LIGAS DE METAIS REFRATÁRIOS
GENERALIDADES
•Definidos como os materiais com temperatura de fusão acima
de 1800 ºC
•Tungstênio - W
•Molibdênio - Mo
•Tântalo - Ta
•Nióbio - Nb
•Zircônio, Cromo e Vanádio (são usados como refratários)
•Háfnio e Rênio (muito raros)
•Todos possuem elevadas densidades
•Exibem fraca resistência à corrosão a temperaturas elevadas
•Têm fraca ductilidade à temperatura ambiente
52. TUNGSTÊNIO
•Metal estrutural com maior
temperatura de fusão, maior
densidade e maior dureza
•Elevado módulo de elasticidade
(406GPa)
•Bom condutor elétrico
•2/3 da produção vai para WC e
apenas 15% é usado na forma
pura
•Usado em:
•Filamentos de lâmpadas
•Contatos elétricos
•Eletrodos não consumíveis
•Proteção contra radiações
•Contrapesos, volantes de
inércia, etc
MOLIBDÊNIO
•Módulo de elasticidade elevado
(317GPa)
•90% da produção de Mo vai para
elemento de liga em aços
•Boa resistência ao choque
térmico
•Elevada condutibilidade térmica
•Liga TZM (0,5Ti-0,07Zr) possui
resistência a altas temperaturas
(700MPa a 1000ºC) - melhor que
qualquer inox ou liga de Ni
•Usado em:
•Dispositivos eletrônicos de
comando em aviação
•Escudos de radiação
•Moldes para processamento de
vidro
•Matrizes de forjamento e
extrusão
53. TÂNTALO
•Menos abundante dos 4
refratários
•Alguma ductilidade à temp.
ambiente
•Baixa resistência mecânica
•Bom condutor térmico
•Boa resistência à corrosão à
temperatura ambiente
•Usado em:
•Material cirúrgico (corrosão)
•Trocadores de calor
•Processamento químico
NIÓBIO
•Elemento de liga em aços
•Características semelhantes
ao Ta
•Baixo módulo de elasticidade
•Elevada resistência a metais
líquidos
•Baixa absorção de nêutrons
•Usado fundamentalmente na
indústria nuclear e
aeroespacial
54. LIGAS DE ALUMÍNIO
GENERALIDADES
•O alumínio é o metal mais
abundante na crosta terrestre
•O seu processamento é caro,
tendo restringido a sua
aplicação até meados do
século XX, mas é um dos
metais mais usados
atualmente
•Forma ligas com Mn, Cu, Mg,
Si, Fe, Ni, Li, etc
•Algumas ligas possuem
resistência mecânica superior
aos aços estruturais
PROPRIEDADES
•Baixa densidade (1/3 do
aço)
•Boa condutividade
térmica e elétrica
•Elevada resistência
específica
•Grande ductilidade
•Fácil usinagem,
fundição, soldagem e
processamento em geral
•Boa resistência à
corrosão
•Custo moderado
55. TRATAMENTOS
•Recozimentos
•Endurecimento por
precipitação e
envelhecimento, apenas
em algumas ligas
•Endurecimento por
deformação plástica a
frio (encruamento)
APLICAÇÕES
•Construção civil e
arquitetura
•Embalagens
•Aeronáutica e
aeroespacial
•Indústrias automóvel,
ferroviária e naval
•Condutores elétricos alta
voltagem
•Utensílios de cozinha
•Ferramentas portáteis
LIGAS DE ALUMÍNIO
56. Classificação
de acordo com a The Aluminum Association Inc.
Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga
1xxx Alumínio puro -
2xxx Cu Mg , Li
3xxx Mn Mg
4xxx Si -
5xxx Mg -
6xxx Mg , Si -
7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr
8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg -
9xxx Reservado para uso futuro -
58. TTUUBBOOSS LLAAMMIINNAADDOOSS ((FFLLEEXXÍÍVVEELL)):: UUMMAA NNOOVVAA SSOOLLUUÇÇÃÃOO
PPAARRAA OO MMEERRCCAADDOO DDEE EEMMBBAALLAAGGEENNSS DDEE CCRREEMMEE
DDEENNTTAALL
Composição é composto por múltiplas camadas, sendo a
do meio uma folha de alumínio revestida por lâminas
plásticas.
Principais vantagens:
Maior flexibilidade (a embalagem fica sempre em forma)
Maior preservação das propriedades do creme
Maior resistência em função das múltiplas camadas
Melhor apresentação devido ao seu perfeito
acabamento e impermeabilidade.
59. OO UUSSOO DDOO AALLUUMMÍÍNNIIOO EEMM SSIISSTTEEMMAASS EELLÉÉTTRRIICCOOSS
Principais vantagens:
Alumínio apresenta boa condutividade
elétrica associada ao baixo peso específico
63. BBAASSEE DDEE LLÂÂMMPPAADDAASS:: LLIIGGAA 33000044--OO
Principais vantagens:
Menor custo em relação ao Cobre e Latão
Excelente resistência mecânica e à corrosão
Facilidade de Conformar (fácil de estampar)
Boa condutividade elétrica
64. DDIISSSSIIPPAADDOORR DDEE CCAALLOORR PPAARRAA EEQQUUIIPPAAMMEENNTTOOSS
EELLEETTRROOEELLEETTRRÔÔNNIICCOOSS:: LLIIGGAA 66006633--TT55
Principais vantagens:
Através do processo de extrusão foi possível obter um material final melhor
e mais homogêneo em relação ao ferro e ao cobre.
O Alumínio apresenta boa condutividade térmica
Baixo peso específico necessário para reduzir peso
Menor custo
65. ÂÂNNOODDOO DDEE SSAACCRRIIFFÍÍCCIIOO PPAARRAA PPRROOTTEEÇÇÃÃOO CCAATTÓÓDDIICCAA DDEE
CCAASSCCOOSS DDEE EEMMBBAARRCCAAÇÇÕÕEESS,, PPLLAATTAAFFOORRMMAASS DDEE
PPEETTRRÓÓLLEEOO,, TTUUBBUULLAAÇÇÕÕEESS SSUUBBTTEERRRRÂÂNNEEAASS,, EETTCC:: AAll
((9999,,55%%)) ccoomm MMgg,, ZZnn,, TTii,, SSii ee HHgg..
A principal função dos elementos (Mg, Zn, Ti, Si e Hg) é inibir a
formação da alumina na superfície do ânodo.
67. LIGAS DE MAGNÉSIO
GENERALIDADES
•Mais leve dos metais
estruturais
•3º metal mais abundante
na crusta
•Competidor ligas de Al e
das de Cu
•Processamento caro
•Fraco em estado puro, bom
quando forma ligas com Al,
Zn, Mn, Th, Ce.
PROPRIEDADES
•Alta resistência específica
•Baixa ductilidade
•Baixo ponto de
fusão=>fundição
•Boa usinabilidade alta
velocidade
•Soldável
•Boa resistência à corrosão
•Boa resistência à fadiga
•Alta resistência ao impacto
•Inflamável – cuidado na
usinagem
68. APLICAÇÕES
•50% - elemento de liga no
Alumínio
•21% - Ligas de Magnésio
•12% - dessulfurante e
desoxidante
•Quase todas de peças
fundidas
•Blocos de motor, volantes,
apoios de assento, coluna de
direção
•Raquetes, patins, tacos de
golfe, bastões de baseball,
bicicletas
•Componentes vários de
aviação
•Ânodo de sacrifício de navios
TRATAMENTOS
•Endurecimento por
precipitação
•Recozimentos
•Endurecimento por
deformação plástica
possível, mas em
pequeno grau
LIGAS DE MAGNÉSIO
69. LIGAS DE TITÂNIO
GENERALIDADES
•Metal mais recente (a partir de
’50)
•Abundante – custo elevado de
proc.
•Possui uma transformação
alotrópica Fase <880ºC<Fase
•Fase – HC – pouco dúctil
•Fase – CCC – muito dúctil
•Formação ligas afeta
significativamente as
propriedades
•Ligas com Al, Sn, V, Mo, Nb, Mn,
Cr, Fe, Co, Ta
PROPRIEDADES
•Baixa densidade (4,5 g/cm3)
•Alto ponto de fusão
(1668 ºC)
•Grande resistência
mecânica
•Grande resistência
específica
•Excelente resistência
corrosão abaixo de 550 ºC
•Acima de 550 ºC tem baixa
resistência corrosão e à
fluência
70. TRATAMENTOS
•Recozimentos
•Algumas ligas
permitem tratamento
térmico de
envelhecimento
APLICAÇÕES
•Devido à grande resistência
específica:
•Aeronáutica e aeroespacial
•Motores a jato (estrutura e
componentes)
•Pás e discos de turbinas
•carros competição e artigos
desportivos em geral
•Devido à grande resistência
corrosão:
•Processamento químico
•Submersíveis
•Implantes biomédicos
•trocadores de calor
LIGAS DE TITÂNIO
71. LIGAS DE BERÍLIO
GENERALIDADES
•Material de grandes
contrastes
•Extremamente reativo e
sensível a impurezas
•Grande afinidade com o
oxigênio, formando BeO
tóxico
•Custo elevado
•Única liga com aplicação
comercial é a liga
Lockalloy (62Be-38Al)
PROPRIEDADES
•Alta rigidez estado puro
(303GPa)
•Rigidez específica superior
ao Al, Mg e Ti
•Temperatura fusão próxima
do aço
•Ausência de ductilidade à T.
amb
•Grande ductilidade a 400 ºC
(50 %)
•Fraca soldabilidade
•Usinagem difícil
•Excelente estabilidade
dimensional
72. TRATAMENTOS
•Como praticamente não
forma ligas também não
pode sofrer tratamentos
térmicos
•A sua fraca ductilidade
não permite o
encruamento, logo
também não necessita
de recozimentos
APLICAÇÕES
•Elemento de liga com
cobre
•Be puro é usado em
armamento, pontas de
mísseis, tubos estruturais,
componentes ópticos e
instrumentos de precisão
•Ligado com Al, é usado
em aviação, aeronaves e
satélites e em automóveis
de competição.
LIGAS DE BERÍLIO