Materias para construção mecânica SENAI

Prévia do material em texto

MMAATTEERRIIAAIISS PPAARRAA
CCOONNSSTTRRUUÇÇÃÃOO
MMEECCÂÂNNIICCAA
CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL ANIELO GRECO
DIVINÓPOLIS
2004
PPrreessiiddeennttee ddaa FFIIEEMMGG
Robson Braga de Andrade
Gestor do SENAI
Petrônio Machado Zica
Diretor Regional do SENAI e
Superintendente de Conhecimento e Tecnologia
Alexandre Magno Leão dos Santos
Gerente de Educação e Tecnologia
Edmar Fernando de Alcântara
Elaboração
Equipe Técnica SENAI
Unidade Operacional
CFP - ANG
Sumário
PRESIDENTE DA FIEMG....................................................................................................................2
APRESENTAÇÃO..............................................................................................................................6
1. MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA..........................................................................7
1.1. INTRODUÇÃO. ...........................................................................................................................7
2. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS..............................................................................................8
2.1. PROPRIEDADES FÍSICAS. ..........................................................................................................10
2.2. PROPRIEDADES QUÍMICAS. .......................................................................................................11
2.3. PROPRIEDADES MECÂNICAS. ....................................................................................................12
3. SIDERURGIA: CONCEITOS........................................................................................................14
3.1. PRODUTOS SIDERÚRGICOS. ......................................................................................................15
3.2. AÇOS E FERROS FUNDIDOS.......................................................................................................15
3.3. FERRO PUDLADO (OU FERRO DE LUPA). .....................................................................................16
3.4. FERRO DE PACOTE. ..................................................................................................................17
3.5. FERRO ESPONJA. .....................................................................................................................17
3.6. FERRO ELETROLÍTICO...............................................................................................................17
3.7. FERRO LIGA. ............................................................................................................................18
4. PRODUTOS SIDERÚRGICOS SEMI-ACABADOS.....................................................................18
4.1. VERGALHÃO EM BARRA CA-25. ................................................................................................18
4.2. VERGALHÃO EM BARRA CA-50. ................................................................................................19
4.3. BARRA CHATA. .........................................................................................................................19
4.4. BARRA REDONDA. ....................................................................................................................19
4.5. BARRA QUADRADA. ..................................................................................................................20
4.6. PERFIL L DE ABAS IGUAIS. ........................................................................................................20
4.7. PERFIL U. ................................................................................................................................21
4.8. PERFIL I...................................................................................................................................21
4.9. VERGALHÕES EM ROLOS CA-50. ..............................................................................................21
4.10. VERGALHÕES EM ROLOS CA-60. ............................................................................................22
4.11. FIO-MÁQUINA DE AÇO COMUM E DE AÇO ESPECIAL, LIGADO OU NÃO. .........................................22
5. OBTENÇÃO DO MINÉRIO DE FERRO. ......................................................................................22
5.1. PROCESSO SIDERÚRGICO: DO ALTO FORNO À PEÇA ACABADA.....................................................23
6. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO. ...............................................................................................25
6.1. FUNDIÇÃO. ..............................................................................................................................26
6.2. DESENHO DAS PEÇAS A SEREM FUNDIDAS. ................................................................................27
6.3. TRINCAS DECORRENTES DE CONTRAÇÃO...................................................................................29
6.4. CONCENTRAÇÃO DE IMPUREZAS. ..............................................................................................31
6.5. DESPRENDIMENTO DE GASES....................................................................................................31
6.6. CONICIDADE OU ÂNGULO DE SAÍDA DO MODELO. ........................................................................31
6.7. SOBREMETAL...........................................................................................................................32
6.8. RESISTÊNCIA. ..........................................................................................................................33
6.9. ADEQUADA LOCALIZAÇÃO DOS MACHOS.....................................................................................33
6.10. COLOCAÇÃO DE CANAIS DE VAZAMENTO..................................................................................34
7. MOLDAGEM EM AREIA SECA. ..................................................................................................35
8. MOLDAGEM EM AREIA PRETA.................................................................................................35
9. PROCESSO CO2. ........................................................................................................................35
10. FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO......................................................................................................37
11. FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO........................................................................................38
12. FUNDIÇÃO DE PRECISÃO. ......................................................................................................39
13. FORJAMENTO. ..........................................................................................................................41
13.1. PROCESSO DE FORJAMENTO..................................................................................................43
13.2. OUTROS PROCESSOS DE FORJAMENTO. ..................................................................................47
14. MATERIAIS METÁLICOS FERROSOS.....................................................................................50
14.1. AÇO: CARACTERÍSTICAS E CLASSIFICAÇÃO. .............................................................................50
14.2. INFLUÊNCIA DO CARBONO NAS CARACTERÍSTICAS DO AÇO. .......................................................51
14.3. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS. ....................................................................................................51
14.4. AÇOS ESPECIAIS OU AÇOS-LIGA. .............................................................................................53
15. FERRO FUNDIDO. .....................................................................................................................56
16. MATERIAIS METÁLICOSNÃO FERROSOS............................................................................59
16.1. COBRE. .................................................................................................................................59
16.2. BRONZE. ...............................................................................................................................61
16.3. LATÃO. .................................................................................................................................63
16.4. NORMALIZAÇÃO E PRODUTOS PARA COMERCIALIZAÇÃO............................................................63
16.5. METAL ANTI-FRICÇÃO. ............................................................................................................65
17. NORMAS UTILIZADAS NA CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS. ...................................................65
17.1. CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA ABNT. ............................................................................66
17.2. CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA AISI. ...............................................................................67
17.3. CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A NORMA DIN. ...............................................................................69
17.4. CLASSIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS SEGUNDO NORMA DIN 17006. ...................................69
18. TRATAMENTOS TÉRMICOS. ...................................................................................................71
18.1. INTRODUÇÃO. ........................................................................................................................71
18.2. FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS. .........................................................72
18.3. AQUECIMENTO. ......................................................................................................................72
18.4. TEMPERATURA DE AQUECIMENTO. ..........................................................................................72
18.5. TEMPO DE PERMANÊNCIA À TEMPERATURA. .............................................................................73
18.6. RESFRIAMENTO. ....................................................................................................................73
18.7. OPERAÇÕES DE TRATAMENTO TÉRMICO. .................................................................................73
18.8. RECOZIMENTO. ......................................................................................................................73
18.9. NORMALIZAÇÃO. ....................................................................................................................74
18.10. TÊMPERA.............................................................................................................................74
18.11. REVENIMENTO. ....................................................................................................................74
18.12. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS................................................................................................75
18.13. ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO. ..................................................................................75
18.14. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS...........................................................................................75
18.15. PRÁTICA DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS. ...............................................................................76
19. O PLÁSTICO. .............................................................................................................................77
19.1. CLASSIFICAÇÃO DOS PLÁSTICOS. ............................................................................................82
19.2. PROPRIEDADES DOS PLÁSTICOS. ............................................................................................82
20. BORRACHA. ..............................................................................................................................83
CADERNO DE EXERCÍCIOS...........................................................................................................85
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................93
Materiais para Construção Mecânica
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Apresentação
“Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do
conhecimento.“
Peter Drucker
O ingresso na sociedade da informação exige mudanças profundas em todos os
perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produção,
coleta, disseminação e uso da informação.
O SENAI, maior rede privada de educação profissional do país, sabe disto, e,
consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a égide do conceito
da competência: ”formar o profissional com responsabilidade no processo
produtivo, com iniciativa na resolução de problemas, com conhecimentos técnicos
aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e consciência da
necessidade de educação continuada.”
Vivemos numa sociedade da informação. O conhecimento , na sua área
tecnológica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualização se
faz necessária. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliográfico, da sua infovia,
da conexão de suas escolas à rede mundial de informações – internet- é tão
importante quanto zelar pela produção de material didático.
Isto porque, nos embates diários, instrutores e alunos , nas diversas oficinas e
laboratórios do SENAI, fazem com que as informações, contidas nos materiais
didáticos, tomem sentido e se concretizem em múltiplos conhecimentos.
O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didáticos, aguçar a sua
curiosidade, responder às suas demandas de informações e construir links entre
os diversos conhecimentos, tão importantes para sua formação continuada !
Gerência de Educação e Tecnologia
Materiais para Construção Mecânica
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11.. MMaatteerriiaaiiss ppaarraa ccoonnssttrruuççããoo MMeeccâânniiccaa..
11..11.. IInnttrroodduuççããoo..
Os materiais estão totalmente a nossa volta. Estão engajados em nossa
cultura e presentes em nossa mais ampla existência. Eles têm estado tão
intimamente relacionados com a emergência e ascensão do homem, que
acabaram por dar nome às idades das civilizações, como a era da Pedra, a era do
Bronze e a era do Ferro. Ocorrendo naturalmente ou elaborados artificialmente
pelo homem, os materiais podem ser considerados parte integrante de nossas
vidas a ponto de serem freqüentemente classificados segundo sua classe de
origem ou de destino: alimento, espaço vital, energia, informação e outros
recursos fundamentais para a humanidade. Os materiais são, sem sombra de
dúvida, a substância de trabalho de nossa sociedade. Desempenham uma função
crucial não somente em nosso desenvolvimento natural, mas também no bem
estar e na segurança das nações.
Mas o que são materiais? Como os entendemos, manipulamos e usamos?
Materiais são uma das partes da matéria do universo. De forma mais específica,
são as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis na fabricação de
estruturas, de máquinas, de dispositivos e de produtos consumíveis. Nelas,
podemos incluir os metais, os produtos cerâmicos, os semicondutores, os
supercondutores, os polímeros (plásticos), vidros, fibras, madeira, areia e vários
outros conjugados. Sua produção e seu processamento, visando à obtenção de
produtos acabados, absorvem alta porcentagem dos empregos e contribuem em
grande parcela para o produto nacionalbruto.
O cuidado obrigatório com a proteção do corpo humano acabou por incluir
os alimentos, as drogas, a biomassa, os fertilizantes e outros elementos na classe
universal dos materiais, embora ainda existam muitas descobertas a serem feitas
a seu respeito. Por razões similares, os combustíveis fósseis, a água e o ar,
também estão incluídos no conceito geral de materiais, e são tratados com mais
profundidade em campos específicos de estudo.
Os materiais podem ser visualizados como que fluindo num vasto ciclo de
oportunidades, num sistema global de transformações regenerativas. Materiais no
estado bruto são extraídos da terra por mineração, perfuração, escavação ou
colheita. Então, são convertidos em produtos de base, como lingotes metálicos,
pedra compactada, produtos petroquímicos, madeira serrada, etc. Como materiais
brutos intermediários, eles podem ser transformados em materiais de engenharia,
como um fio condutor, um perfil estrutural de aço, concreto, componentes
plásticos, atingindo assim o produto final que necessitamos. Após seu
desempenho a serviço do homem, os mesmos materiais (já em forma de sucata),
percorrem o caminho de volta a terra, e se economicamente e tecnicamente
viável, são inseridos novamente no ciclo de processamento para uso posterior.
Um aspecto importante revelado pelo ciclo dos materiais é a forte interação
destes com a energia e o meio ambiente, mostrando que seus segmentos de
produção devem ser considerados, sem omissão, no planejamento nacional e no
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custo tecnológico. Tais considerações resultam especialmente em críticas diante
do fraco entrosamento entre as áreas de energia e a área de estudo dos
materiais, principalmente no que diz respeito aos novos conceitos de gestão de
qualidade e consciência ambiental que são adotados pelos países
industrializados. A importância deste entrosamento fica clara no seguinte
exemplo: o alumínio primário pode ser produzido a partir de minério bruto ou
através de sucata reciclada. A opção por esta última possibilidade, implica no
gasto de apenas 5% da energia exigida pela primeira, além da menor influência
sobre a terra, visto que não serão gastos recursos com trabalhos de exploração e
prospecção. Portanto, o ciclo dos materiais é um sistema que entrelaça recursos
naturais e necessidades particulares.
Também não é surpresa encontrar no desenvolvimento humano uma
engenharia e uma ciência dos materiais tomando seus lugares em meio a outros
campos de investigação e de a ampliação do conhecimento científico. É uma
missão quase que impossível descobrir novos materiais que conservem a energia
e os recursos naturais tão escassos ultimamente. Para fabricar produtos
reciclados, como o exemplo citado do alumínio, é necessário aplicar um alto nível
de tecnologia e desenvolvimento, a fim de poder competir em custo e qualidade
com os produtos convencionais.
Existem por certo, uma enorme quantidade de cientistas, engenheiros e
técnicos que são especialistas em materiais. Um importante registro estatístico
que prova esta tendência é que, a cada seis horas de trabalho nos setores
relacionados aos materiais de construção mecânica, pelo menos uma hora é
inteiramente dedicada ao estudo de novos meios de aplicação dos materiais (para
químicos e físicos, obviamente, estas horas de dedicação são bem mais amplas).
Assim, a ciência dos materiais constitui um esqueleto no qual diversos
profissionais de várias disciplinas trabalham criativamente para provar os
processos da natureza, e ao mesmo tempo, avançar seu conhecimento e ampliar
novas fontes de pesquisa.
E você, como técnico mecânico, é parcela contribuinte deste processo.
Como? Selecionando e especificando materiais que possuam características
específicas tais como: boa resistência térmica, tenacidade, ductilidade, dureza,
etc. Este é o objetivo deste curso, proporcionar conhecimentos técnicos que
sirvam de apoio à sua carreira profissional.
Saiba desde já que os materiais podem possuir diversas propriedades que
estão diretamente relacionadas com sua estrutura interna de composição. Saber
selecionar de maneira adequada e racional tais materiais é uma constante
renovação do conhecimento!
22.. PPrroopprriieeddaaddeess ddooss mmaatteerriiaaiiss..
Você já reparou na variedade de materiais usados na indústria moderna?
Pense um pouco: para serem estéticos, baratos, práticos, leves, resistentes e
duráveis, os produtos são feitos de substâncias que conseguem atender não só
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as exigências do mercado, mas também as exigências técnicas de uso e dos
processos de fabricação. E quais materiais são encontrados na indústria? Isto
depende do tipo de produto desejado e da maneira pela qual o material será
empregado. Por exemplo, se você quiser fabricar tecidos, terá que utilizar
algodão, lã, seda ou fibras sintéticas. Na fabricação de móveis, você usará
madeira, resinas sintéticas, aço, plástico. Para calçados, você terá que usar
couro, borracha ou nylon. Na indústria mecânica de fabricação de peças e
equipamentos você poderá usar o ferro, o aço, o alumínio, o cobre ou o bronze.
Todos estes materiais estão agrupados em dois blocos distintos:
™ Materiais metálicos ferrosos e não ferrosos.
™ Materiais não metálicos naturais e sintéticos.
Esta divisão entre metálicos e não metálicos está diretamente ligada à
constituição destes materiais. Os materiais metálicos apresentam plasticidade,
isto é, podem ser deformados sem se quebrarem e conduzem bem o calor e a
eletricidade. Aliás, a condutibilidade tanto térmica quanto elétrica dos metais está
estreitamente relacionada à mobilidade de elétrons dos átomos de suas
estruturas. Como exemplo de materiais não metálicos, podemos citar: metálicos
ferrosos (aço e ferro fundido), metálicos não ferrosos (alumínio, cobre, zinco,
magnésio, chumbo, estanho e titânio); não metálicos naturais (madeira, asbesto,
couro e borracha) e não metálicos sintéticos (vidro, cerâmica e polímeros).
Como é obviamente impossível para o técnico ou engenheiro ter um
conhecimento detalhado dos milhares de materiais disponíveis, tanto quanto se
manter completamente informado de novos desenvolvimentos, ele deve pelo
menos dispor de uma base firme sobre os princípios que regem as propriedades
de todos materiais.
O princípio de maior valor para os técnicos e engenheiros é que "as
propriedades de um material originam-se da sua estrutura interna". As
estruturas internas dos materiais envolvem não apenas os átomos, mais também
o modo como estes se associam com seus vizinhos, em cristais, moléculas e
microestruturas. Observando estas estruturas e trabalhando continuamente com
diversas opções de materiais, conseguimos chegar a algumas propriedades tais
como dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade, etc. Todas
estas características de cada material são propriedades específicas, diretamente
relacionadas às ligações químicas presentes. Para facilitar o entendimento, as
propriedades foram reunidas em grupos de acordo com o efeito que elas podem
causar. Assim, podemos ter: propriedades físicas e propriedades químicas.
Observação: cada uma destas propriedades deve ser cuidadosamente
considerada na fabricação de qualquer produto. Iremos estudar ambas, com o
objetivo de ajudar o técnico a compreender como os materiais se comportam
durante seus ciclos de aplicação.
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22..11.. PPrroopprriieeddaaddeess ffííssiiccaass..
Este grupo de propriedades determina o comportamento do material em
todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização. As
propriedades físicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de
natureza mecânica. Isto quer dizer que estas propriedades determinam a maior
ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir a esforços
aplicados. Tais aspectos são necessários não só durante o processo de
fabricação, mas também durante a utilização dos materiais. Do ponto de vista da
indústria mecânica, tais propriedades são consideradas fundamentais para a
escolha de um material.
A resistência mecânica permite que o material seja capaz de suportar a
ação de determinados tipos de esforços, como tração ou compressão. Ela está
ligada às forças internas de atração existentes entre as moléculas que compõem
o material. A resistência à tração é uma propriedade bastante desejável, por
exemplo, nos cabos de aço de um guindaste.
A elasticidade é a capacidade que o material deve ter de se deformar,
quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço
terminar. Quando falamos em elasticidade, o primeiro material a ser lembrado é a
borracha, embora alguns tipos de materiais plásticos também tenham esta
propriedade. A elasticidade, por exemplo, deve estar presente em materiais para
a fabricação de molas de uso geral (aços-mola).
Um material também pode ter plasticidade. Isto quer dizer que ao ser
submetido a um esforço, ele é capaz de deformar e manter um determinado
aspecto, e quando o esforço desaparecer, ele deve permanecer deformado. Esta
propriedade é importante para os processos de fabricação que exigem
conformação mecânica, como por exemplo, a prensagem para a fabricação de
partes da carroceira de um veículo. Também é encontrada quando laminamos um
material, quando fabricamos peças feitas de chapas dobradas de aço, ou quando
fabricamos tubos. O que pode variar é o grau de plasticidade de um material para
outro, que pode ser medido através de uma outra propriedade conhecida como
ductilidade.
Ductilidade é uma deformação de caráter plástico (deformação que não
pode ser recuperada, ou seja, é permanente), que ocorre até o ponto antes do
material não suportar determinado esforço e romper-se. Quando laminado,
estampado, forjado ou repuxado, os materiais também apresentam uma
propriedade conhecida como maleabilidade, que nada mais é do que a
resistência imposta pelos mesmos a estes processos.
A dureza é a resistência do material à penetração, à deformação plástica
permanente e ao desgaste. Em geral, os materiais duros são também frágeis. A
fragilidade é a propriedade mecânica relacionada aos materiais de apresentarem
resistência a choques ou golpes. Um exemplo que pode ilustrar isto é o vidro.
Devido à sua alta dureza, o mesmo não possui boa resistência a pancadas,
partindo-se facilmente.
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As propriedades térmicas também podem determinar o comportamento
dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Isto acontece
tanto no processamento do material (fabricação), quanto na sua utilização. A
variação térmica é um dado muito importante, por exemplo, se aplicado no uso
das ferramentas de corte, pois em velocidades elevadas ocorre o aumento da
temperatura, e logicamente, as mesmas devem possuir superfícies que suportem
tais oscilações. No caso das propriedades térmicas, podemos citar o ponto de
fusão.
Ponto de fusão é o ponto no qual o material passa do estado sólido para o
estado líquido, tornando-se manipulável por fundição. O ponto de fusão é uma
propriedade de grande valor técnico, muito aplicado em utilizações que requerem
trabalhos extremos e trabalhos executados em altas temperaturas.
Outra propriedade é o ponto de ebulição, que é a temperatura na qual o
material passa do estado líquido para o estado gasoso. O exemplo mais
conhecido de ponto de ebulição é o da água, que se transforma em vapor a 100º
C.
Ainda no aspecto térmico, podemos mencionar a dilatação. Esta
propriedade faz com que os materiais, em geral, aumentem de tamanho quando
ocorre um aumento de temperatura. Por causa desta propriedade, as grandes
estruturas de concreto como prédios, pontes e viadutos são construídos com
pequenos vãos ou folgas entre as lajes, para que elas possam dilatar-se nos dias
de muito calor. Em tubulações industriais, é comum encontramos juntas
sanfonadas (ou juntas de expansão), que permitem que as variações lineares dos
conjuntos não interfiram na estrutura de suporte dos mesmos. O espaço existente
entre os trilhos de uma linha férrea também é um bom exemplo de dilatação
térmica. O acréscimo de temperatura que ocorre nas estruturas mencionadas
pode ser entendido assim: se você segurar uma barra de metal através de sua
extremidade e aquecer por meio de calor a outra, dentro de um certo período de
tempo, a barra se tornará tão quente que você não conseguirá mais segurá-la.
Isto acontece por causa da condutividade térmica, que é a capacidade que os
materiais possuem de transportar calor através de suas moléculas (condução).
Também temos a resistividade, que é a propriedade que o material possui
em oferecer resistência à passagem da corrente elétrica. Esta propriedade está
presente nos materiais que são maus condutores de eletricidade. Por este motivo,
os bons condutores são isolados com material plástico (mal condutor), permitindo
a formação de uma camada protetora.
22..22.. PPrroopprriieeddaaddeess qquuíímmiiccaass..
As propriedades químicas são aquelas que se manifestam quando o
material entra em contato com outras substâncias ou com o ambiente. Elas são
classificadas de acordo com a presença ou ausência de resistência aos
corrosivos, aos ácidos ou às soluções salinas. O alumínio, por exemplo, é um
material que em contato com o ambiente tem boa resistência à corrosão. O ferro é
o outro extremo da moeda. Quando em contato com o ar, ele oxida (ou enferruja),
não possuindo boa resistência à corrosão.
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No papel de técnicos mecânicos, as propriedades de maior interesse e
aplicação são as propriedades mecânicas. Por este motivo, listamos a seguir
uma série de conceitos que serão muito discutidos durante todo curso.
Saiba que é possível expressar matematicamente o comportamento dos
materiais (para efeito quantitativo e principalmente comparativo), e utilizar os
dados obtidos na determinação ou escolha dos mesmos. Vejam quais são as
propriedades que podemos determinar.
22..33.. PPrroopprriieeddaaddeess mmeeccâânniiccaass..
™ Deformação relativa (=): é um valor que expressa a quantidade de
deformação ocorrida num material devido à ação de forças, dividido pelo
comprimento do mesmo. Não possui uma unidade específica (é adimensional), e
pode ser reversível, desde que não ultrapasse o regime elástico do material.
= = (∆ L) / L, onde:
∆ L = comprimento final – comprimento inicial.
L = comprimento inicial.
™ Tensão (σ): é a quantidade de energia absorvida pelo material durante o
processo de deformação. Normalmente ocorre devido à ação de uma força que
pode estar atuando ao longo de uma distância, seja comprimindo ou tracionando
o material. Sua unidade padrão é o Pascal (N/m²), sendo dada pela seguinte
fórmula:
σ = F / A, onde:
F = força (sua unidade é o Newton: N).
A = área (sua unidade é o m²).
™ Módulo de elasticidade (E): refere-se ao comportamento elástico do material.
A deformação relativa inicial é reversível(se removermos a força aplicada a um
material, ele comporta-se como uma mola, voltando ao seu tamanho original). A
este fenômeno linear chamamos de deformação elástica, ou módulo de Young.
Sua unidade padrão também é o Pascal (N/m²), e sua expressão matemática é:
E = T / =, onde:
T = tensão.
= = deformação relativa.
Quando um material recebe excesso de tensão que o mesmo pode
suportar, ocorre um deslocamento irreversível na sua estrutura atômica. Segundo
o módulo de Young antes mencionado, ele deveria voltar ao seu tamanho original.
Porém, em alguns casos não é desejável que o material retorne ao seu tamanho
original. Durante a laminação de uma chapa, por exemplo, é necessário que
ocorra uma deformação permanente, e que tal deformação seja a mesma em
todas as chapas fabricadas. Já em produtos acabados, o material tem que se
manter dentro de certos limites elásticos, senão durante o primeiro esforço que
estiver sujeito poderá vir a romper-se.
™ Limite de escoamento (LE): é a quantidade de tensão necessária para fazer
com que um material passe do regime elástico para o regime plástico, ou seja, o
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mesmo perde o comportamento segundo o módulo de Young, e permanece
deformado. Sua unidade padrão é o Pascal, e sua fórmula matemática é:
LE = (carga que inicia a deformação plástica) / Ao, onde:
Ao = área inicial (sua unidade é o m²).
Limite de ruptura (LRU): é a quantidade de tensão necessária para fazer com
que um material se rompa. Também pode ser definida como a capacidade que
um material possui em suportar o aparecimento da deformação plástica.
™ Limite de resistência (LRE): é a tensão máxima admitida por uma material
devido a uma quantidade de ciclos e esforços que o mesmo sofreu. Sua unidade
padrão é o Pascal. O limite de resistência pode ser expresso assim:
LRE = (força máxima suportada) / Ao, onde:
Ao = área inicial (sua unidade é o m²).
™ Redução de área ou estricção (R): é um valor percentual que expressa a
quantidade linear que foi subtraída do diâmetro ou seção do material, após o
efeito de uma carga observada na seção fraturada ou de rompimento. Materiais
dúcteis apresentam alta estricção (alta redução de área). Materiais não dúcteis
possuem estricção próxima de zero. Sua fórmula é:
R = (Ao - Af) / Ao, onde:
Ao = área inicial.
Af = área final.
™ Ductilidade: é a quantidade de deformação relativa permanente, ou seja,
aquela deformação que é capaz de ultrapassar o regime elástico do material
antes que ele se rompa ou frature.
™ Tenacidade: é o valor da quantidade de energia absorvida pelo material
(energias plásticas mais energias elásticas), que foram somadas durante o tempo
que o material esteve tencionado ou tracionado. Na indústria, o termo tenacidade
também é comumente empregado como sendo a resistência de um material ao
choque ou ao impacto.
Normalmente, as propriedades acima citadas são obtidas por meio de
ensaios destrutivos executados em laboratório. Como exemplo de um ensaio
destrutivo, podemos citar o ensaio de tração, que consiste em submeter um corpo
de prova a esforços axiais, aplicando cargas tracionadoras às suas extremidades,
até que ocorra a ruptura do mesmo. Durante o tempo que o material permanece
carregado, seu comportamento é registrado por meio de sensores, que enviam
dados à máquina de ensaio, obtendo tabelas numéricas que serão utilizadas
como referência nos cálculos.
Com estes dados também é possível a criação de diagramas ou gráficos
que representem o comportamento do material. O mais conhecido é o diagrama
que representa os valores da tensão (σ) pela deformação relativa (=). Veja o
aspecto deste gráfico a seguir:
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33.. SSiiddeerruurrggiiaa:: ccoonncceeiittooss..
A história do homem é a história do domínio da tecnologia dos materiais. A
primeira vez que o homem viu o metal que conhecemos hoje como ferro, foi sob a
forma de meteoritos. Daí a origem da palavra siderurgia, pois SIDUS significa
estrela em latim. De fato, durante milhares de anos, esta evolução foi bastante
lenta, para posteriormente (apenas pouco mais de 200 anos), acelerar-se de
forma incrível. Os grandes avanços, infelizmente, ocorreram principalmente após
as grandes guerras mundiais, onde os materiais podiam ser colocados à prova
em condições extremas de frio e calor. De todos materiais a disposição da
indústria, certamente o ferro fundido e o aço são os mais utilizados. E não é
somente na indústria mecânica: podem estar presentes na construção civil
(edifícios, viadutos, pontes), na indústria elétrica, na fabricação de motores que
acionam equipamentos industriais, etc.
O que você deve lembrar-se sempre é que todo progresso conseguido na
tecnologia de fabricação do ferro fundido e do aço não foi apenas graças à sua
facilidade de obtenção na crosta terrestre, mais também devido à curiosidade e
necessidade do homem em saber mais sobre a estrutura e o comportamento
destes materiais.
O primeiro metal que foi usado como matéria-prima, tanto para objetos de
adorno como também para ferramentas, foi o cobre. Aproximadamente a 7000
a.C. o homem já fazia experiências com este metal, num lugar hoje chamado de
Anatólia, na antiga União Soviética. Por acaso, os primeiros artesãos descobriram
que apesar de ser bastante dúctil e maleável, o cobre ficava mais duro (ou
encroado) à medida que era martelado por outra ferramenta. Descobriu-se
também que era fácil soldá-lo com ele mesmo e assim produzir ferramentas mais
complexas. Além disto, descobriu-se que o cobre ligava-se facilmente a outros
metais. Também quase ao acaso, descobriu-se a primeira liga, que tinha como
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base o cobre, no qual foi acrescentado arsênico. Tal façanha foi feita por um
caçador distraído que misturou ambos materiais numa fogueira de seu
acampamento. Resultado: apareceu um material mais duro e mais resistente que
o cobre puro. O homem percebeu isto e passou a preferir esta liga que o próprio
cobre puro. Mais tarde, ele substituiu o arsênico pelo estanho (que apesar de ser
mais difícil de se obter), era mais seguro para ser trabalhado. Atualmente mistura-
se ao cobre o zinco, obtendo-se o latão, material muito utilizado na indústria
mecânica.
33..11.. PPrroodduuttooss ssiiddeerrúúrrggiiccooss..
O ferro existente na natureza geralmente está sob a forma de óxidos, nos
minérios de ferro, dos quais é extraído quase sempre por meio de um forte
aquecimento na presença de coque ou carvão de madeira, feito em fornos
adequados, nos quais o óxido é reduzido e o ferro resultante fica ligado ao
carbono. Forma-se assim, uma liga de ferro e carbono, que depois de refinada,
constitui a matéria prima para a fabricação da grande maioria das peças metálicas
atualmente empregadas na indústria, graças às suas interestantes propriedades
mecânicas e seu custo relativamente baixo.
Os produtos siderúrgicos mais comuns são as ligas de ferro carbono, com
teor de carbono compreendido entre 0 e 6,7% (industrialmente entre 0 e 4,5%).
Os mais importantes são os aços e os ferros fundidos, havendo ainda outras
classes de produtos de emprego mais reduzido, que são o ferro pudlado, o ferro
de pacote, o ferro esponja e o ferro eletrolítico.
33..22.. AAççooss ee ffeerrrrooss ffuunnddiiddooss..
Estes produtos são obtidos por via líquida, isto é, são elaborados no estado
de fusão. São chamados aços,quando contêm de 0 a 2% de carbono, e ferros
fundidos, quando o teor deste elemento está entre 2 e 6,7%. Habitualmente,
estes dois materiais contêm ainda outros elementos, como o manganês, silício,
fósforo e enxofre, em porcentagens quase sempre pequenas e que são
consideradas impurezas normais.
As impurezas encontradas nos aços e ferros fundidos, nem sempre podem
ser completamente eliminadas (como o fósforo, enxofre e o oxigênio). Algumas
apresentam uma quantidade tão reduzida que sua presença não traz nenhum
problema, inclusive, oferece até vantagens. Certas impurezas são adicionadas
propositalmente (como o manganês, silício e o alumínio) para atenuar ou
neutralizar certos inconvenientes provocados pelo fósforo, enxofre e oxigênio.
Os aços convencionais são conhecidos no comércio com o nome de aços
ao carbono (comuns ou ligados), sendo designados pelos fabricantes por meio
de letras e números, de acordo com o seu teor de carbono. Os aços que possuem
elementos especiais (aços liga) e os ferros fundidos são aqueles que contêm
outros metais que lhes foram acrescentados intencionalmente com o propósito de
fornecê-los certas propriedades que os produtos comuns não possuem. Estes
aços podem ser designados pelo nome do elemento de liga que contêm: aço-
níquel, aço-manganês, aço-cromo-níquel-molibdênio, etc; ou então por números,
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seja indicando o teor de alguns destes elementos. Também podem ser nomeados
de acordo com um fabricante em especial. Os ferros fundidos especiais também
são designados pelo nome do elemento de liga que contêm (ferro fundido ao
níquel, ferro fundido ao silício) ou então por nomes próprios, como ocorre em
certos aços.
Saiba mais: a porcentagem do elemento especial necessária para que um aço
seja considerado como aço liga, varia para cada elemento. Assim, a presença de
1% de manganês não é suficiente para torná-lo um aço manganês. Porém, 0,2%
de vanádio ou de molibdênio já é o bastante para que ele seja considerado um
aço liga, ou seja, aço-vanádio ou aço-molibdênio. De modo geral, não são tidos
como aços liga aqueles em que o elemento especial intervém em teores abaixo
de 0,1%. As porcentagens de manganês, silício, fósforo e enxofre que sempre
aparecem nos produtos comuns são geralmente abaixo dos seguintes teores:
manganês (abaixo de 1%), silício (abaixo de 0,5%), fósforo e enxofre (abaixo de
0,1%). Quando um ou mais destes elementos estão presentes em quantidades
maiores, já não podemos dizer que o aço é comum. O aço com porcentagem de
fósforo ou de enxofre acima de 0,1%, recebe o nome de aço de corte fácil, e
possui facilidade a usinagem, tendo sua composição química modificação
proposital. Nos ferros fundidos, os teores de silício e de fósforo podem atingir
valores muito mais altos do que nos aços, sem que por isto sejam considerados
especiais. Assim, com 2% de silício ou 1% de fósforo, os ferros fundidos
continuam sendo considerados na categoria de ferros fundidos comuns.
33..33.. FFeerrrroo ppuuddllaaddoo ((oouu ffeerrrroo ddee lluuppaa))..
É um tipo de produto siderúrgico que possui baixo teor de carbono (até
0,2%), obtido no estado pastoso e constituído por numerosas partículas de
escória, em função de seu processo particular de fabricação. O processo consiste
na eliminação do carbono e das impurezas existentes por meio de agitação
(pudlagem) do banho de componentes dentro dos fornos, na presença de óxidos
adicionados e de chama oxidante, que varre a superfície líquida. A temperatura
atingida nestes fornos é suficiente para fundir e manter o material em estado de
fusão, enquanto o teor de carbono for alto, e à medida que este vai sendo
eliminado, o banho torna-se cada vez menos fluido, porque ao perder carbono, a
liga necessita de mais temperatura para ficar fusível. A consistência pastosa que
o material apresenta impede que as escórias voltem à superfície, e por isto ficam
retidas no interior da massa. As escórias vão aderindo-se à haste de agitação,
formando ao seu redor uma espécie de bola (lupa) que é retirada e
posteriormente martelada. A escória é assim expulsa, restando poucos resíduos
que permanecem no metal sob a forma de pequenas partículas, muitas vezes
invisíveis a olho nu. A presença destas partículas permite identificar o ferro
pudlado e distingui-lo micrograficamente do aço de baixo teor de carbono. O ferro
pudlado teve longa aplicação devido às propriedades interestantes que o mesmo
possuía, tais como forjabilidade e caldeabilidade, mais foi gradativamente sendo
substituído pelos aços de baixo teor de carbono, à medida que estes iam sendo
obtidos em condições mais econômicas. Ainda pode ser encontrado em algumas
edificações antigas e em alguns componentes de máquinas, sendo esta a razão
por que é feita sua referência.
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33..44.. FFeerrrroo ddee ppaaccoottee..
Este produto siderúrgico é obtido por aglutinação, em estado quase
pastoso, de fragmentos de aço de baixo teor de carbono e às vezes, de ferro
pudlado. Os fragmentos são primeiramente reunidos em pacotes (daí o nome do
produto), os quais são aquecidos em um forno até aproximadamente 1300º C.
Atingida esta temperatura, os pacotes são retirados do forno e passados num
laminador para que todos os elementos do pacote fiquem aglutinados por
caldeamento (processo usado para unir duas peças metálicas a quente,
comprimindo as superfícies uma contra a outra, com o auxílio de uma prensa ou
de martelamento hidráulico, onde as temperaturas devem ser altas mais não a
ponto de atingir a fusão das partes). Obtêm-se assim, grossos tarugos de metal
que depois de reaquecidos são laminados novamente até adquirirem o diâmetro
ou o perfil desejado.
33..55.. FFeerrrroo eessppoonnjjaa..
É um tipo de ferro resultante da redução do minério em temperaturas
próximas a 900º C, sem haver fusão. O minério, que geralmente é um óxido de
ferro, é submetido à ação de gases redutores quentes, que lhe retiram o oxigênio,
resultando daí a transformação de suas partículas em ferro de aspecto esponjoso.
Devido a tal estrutura, dotada de grandes espaços que podem ser preenchidos
facilmente por gases, o ferro esponja é oxidável pelo contato atmosférico,
principalmente em temperaturas elevadas. Por isto, seu resfriamento deve ser
feito ao abrigo do ar, e logo em seguida aglomerado por compressão, de modo a
formar pastilhas ou pequenos briquetes, reduzindo assim a área de superfície
exposta à oxidação. O ferro esponja briquetado, quando isento de impurezas,
constitui boa matéria prima no preparo de aços especiais.
33..66.. FFeerrrroo eelleettrroollííttiiccoo..
É um ferro quase quimicamente puro, produzido pelo depósito eletrolítico
deste elemento. Para tal fim são utilizadas barras de ferro fundido como ânodos,
que são dissolvidos num eletrólito de cloreto de ferro, mantendo suas
concentrações constantes. A corrente elétrica vai depositando ferro quase puro
nos cátodos, geralmente fabricados com tubos de aço, que possuem movimento
giratório. A espessura do depósito aumenta cerca de 1 mm a cada 10 horas. O
tubo de ferro depositado é então retirado do cátodo por pressão hidráulica ou por
meio de corte. O produto obtido é bastante frágil, em virtude de sua estrutura
cristalina e devido à presença de hidrogênio, podendo ser dúctil novamente se
recozido a temperaturas em torno de 1000º C. O ferro eletrolítico pode ser
produzido com a pureza de 99,96%, não contendo mais do que 0,006% de
carbono, 0,004% de enxofre e 0,005% de silício. É empregado como núcleo
magnético, para fins especiais, principalmentena indústria de componentes
eletrônicos.
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33..77.. FFeerrrroo lliiggaa..
É o nome genérico dado às ligas de ferro com outros metais ou metalóides
(com exceção do carbono), em teores mais ou menos elevados. Destinam-se aos
processos de adição que ocorrem na obtenção dos produtos siderúrgicos. É
utilizado normalmente para corrigir composições químicas do ferro e de outros
metais, conforme desejado. Dentre os ferros ligas podemos citar: ferro-silício,
ferro-manganês, ferro-cromo, ferro-silício-manganês, ferro-fósforo, ferro-vanádio,
etc.
44.. PPrroodduuttooss ssiiddeerrúúrrggiiccooss sseemmii--aaccaabbaaddooss..
As usinas siderúrgicas, na sua maioria, são classificadas segundo
seu processo produtivo. Assim, podemos ter as usinas integradas e as usinas
semi-integradas. As usinas integradas operam três fases do processo siderúrgico:
redução, refino e laminação. As usinas semi-integradas operam apenas duas
fases: refino e laminação. Assim, após percorrerem todas as etapas do processo
produtivo, os produtos siderúrgicos estão prontos para serem utilizados pela
indústria. Em alguns casos, serão usados diretamente na forma como saem das
usinas, em outros casos, necessitam ser trabalhados por operações de corte,
solda, dobra, etc. Quando são fornecidos sob a forma final de peças retas, com
comprimentos definidos, dividem-se nas seguintes categorias: vergalhões em
barras, barras de aço (aços para construção mecânica), perfis com seções
diversas, chapas, tubos, etc. Quando são fornecidos na forma final de rolos,
dividem-se em outras categorias: vergalhões em rolos, fio-máquina de aços
comuns e fio-máquina de aços especiais, ligados ou não.
Iremos abordar os principais produtos siderúrgicos semi-acabados que
servem de matéria-prima para a indústria de um modo geral.
44..11.. VVeerrggaallhhããoo eemm bbaarrrraa CCAA--2255..
™ Seção transversal: circular.
™ Características: superfície externa lisa.
™ Bitola: exemplo - Ø 6,3 mm a Ø 40 mm.
™ Comprimento comercial: 12 metros.
™ Norma fabricação/material: NBR- 7480/96.
™ Aplicação: estruturas de concreto armado, edifícios, pontes, barragens, etc.
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44..22.. VVeerrggaallhhããoo eemm bbaarrrraa CCAA--5500..
™ Seção transversal: aproximadamente circular.
™ Características: 2 saliências longitudinais diametralmente opostas e ao longo
de todo comprimento. Nervuras transversais na parte superior e inferior.
™ Bitola: exemplo - Ø 6,3 mm a Ø 40 mm.
™ Comprimento comercial: 12 metros.
™ Norma fabricação/material: NBR-7480/96.
™ Aplicação: estruturas de concreto armado, edifícios, pontes, barragens, etc.
44..33.. BBaarrrraa cchhaattaa..
™ Seção transversal: retangular.
™ Características: fabricada em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo - 1/8" x 3/8", 3/4" x 6", 1" x 4", 1" x 5”.
™ Comprimento comercial: 6 metros.
™ Norma fabricação/material: ASTM-A36.
™ Aplicação: serralherias, fabricação de máquinas, implementos agrícolas e
rodoviários, ferramentas e utensílios de mecânica em geral.
44..44.. BBaarrrraa rreeddoonnddaa..
™ Seção transversal: circular.
™ Características: fabricada em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo - Ø 1/4" a 3.1/2".
™ Comprimento comercial: 6 metros.
™ Norma fabricação/material: ASTM-A36, ASTM-A572 e ASTM-A588.
™ Aplicação: serralherias, fabricação de eixos e ferramentas, forjamento e
usinagem de peças, trefilaria.
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44..55.. BBaarrrraa qquuaaddrraaddaa..
™ Seção transversal: quadrada.
™ Características: fabricada em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo - quadrado de 5/16" a 1.3/4".
™ Comprimento comercial: 6 metros.
™ Norma fabricação/material: ASTM-A36.
™ Aplicação: serralherias, fabricação de máquinas e implementos agrícolas,
trefilaria (fabricação de porcas e parafusos).
44..66.. PPeerrffiill LL ddee aabbaass iigguuaaiiss..
™ Seção transversal: forma de L, formando ângulo de 90º.
™ Características: fabricado em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo - abas de 5/8" até 8".
™ Comprimento comercial: 6 metros.
™ Norma fabricação/material: ASTM-A36, ASTM-A588.
™ Aplicação: serralherias, estruturas metálicas, pontes rolantes, pórticos, torres
de transmissão de energia elétrica, indústria mecânica em geral.
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44..77.. PPeerrffiill UU..
™ Seção transversal: forma de U.
™ Características: fabricado em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo - 1" x 1/2" até 15" x 3.3/8".
™ Comprimento comercial: 6 metros.
™ Norma fabricação/material: ASTM-A36, ASTM-A588.
™ Aplicação: serralherias, estruturas metálicas, pontes rolantes, pórticos, torres
de transmissão de energia elétrica, indústria mecânica em geral.
44..88.. PPeerrffiill II..
™ Seção transversal: forma de I.
™ Características: fabricado em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo – 3” x 2.3/8” até 20” x 7”.
™ Comprimento comercial: 6 metros.
™ Norma fabricação/material: ASTM-A36, ASTM-A588.
™ Aplicação: estruturas metálicas, pontes rolantes, torres, galpões, fabricação de
veículos rodoviários e equipamentos de transporte (chassis).
44..99.. VVeerrggaallhhõõeess eemm rroollooss CCAA--5500..
™ Seção transversal: aproximadamente circular.
™ Características: 2 saliências longitudinais diametralmente opostas e ao longo
de todo comprimento. Nervuras transversais na parte superior e inferior.
™ Bitola: exemplo - até Ø 12,5 mm.
™ Comprimento comercial: 12 metros.
™ Norma fabricação/material: NBR-7480/96.
™ Aplicação: estruturas de concreto armado, edifícios, pontes, barragens, etc.
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44..1100.. VVeerrggaallhhõõeess eemm rroollooss CCAA--6600..
™ Seção transversal: aproximadamente circular.
™ Características: 2 saliências longitudinais diametralmente opostas e ao longo
de todo comprimento. Nervuras transversais na parte superior e inferior.
™ Bitola: exemplo - Ø 3,4 mm até Ø 9,5 mm.
™ Comprimento comercial: 12 metros.
™ Norma fabricação/material: NBR-7480/96.
™ Aplicação: estruturas de concreto armado, lajes, pavimentação, fábrica de
elementos pré-moldados, fabricação de telas soldadas, fabricação de malhas
POP.
44..1111.. FFiioo--mmááqquuiinnaa ddee aaççoo ccoommuumm ee ddee aaççoo eessppeecciiaall,,
lliiggaaddoo oouu nnããoo..
™ Seção transversal: circular.
™ Características: produtos acabados em blocos de laminação que trabalham
em altas velocidades, coletados através de sistema formador de espiras e
resfriados sob a forma de rolos. Fabricados em aço com baixo teor de carbono.
™ Bitola: exemplo - Ø 5,5 mm até Ø 16,6 mm.
™ Comprimento comercial: sob a forma de rolos.
™ Norma fabricação/material: NBR-7480/96.
™ Aplicação: fabricação de parafusos, porcas, pregos, arames, artefatos para
serralheria, estruturas metálicas, fabricação de telas soldadas, fabricação de
arame farpado, varetas para solda.
55.. OObbtteennççããoo ddoo mmiinnéérriioo ddee ffeerrrroo..
Normalmente o minério de ferro é obtidoatravés da exploração de jazidas,
que são formações a céu aberto, ou através de formações perfuradas em rochas
ou escavadas subterraneamente. Na forma pura, o minério de ferro contêm uma
série de elementos (cal, sílica, alumina, enxofre, manganês, magnésio, etc.) que
são considerados como impurezas, sendo necessário sua preparação para torná-
lo adequado ao uso no alto-forno.
O que é feito durante o processo de exploração depende da qualidade do
minério encontrado na jazida. Por exemplo, nas jazidas brasileiras existe uma
grande quantidade de minério sob a forma de pó. Isto significa que o minério de
ferro (cerca de 55%), é encontrado na forma bruta em pedaços que medem
menos que 10 mm. Como o alto-forno necessita de pedaços maiores (entre 10
mm e 30 mm), foram criados processos que permitem a utilização deste tipo de
minério: a sinterização e a pelotização.
Com a sinterização, são obtidos blocos feitos com partículas de minério
de ferro, carvão moído, calcário e água. Estes produtos são misturados até se
obter um aglomerado. Depois, esta mistura é colocada sobre uma grelha e levada
a um tipo especial de equipamento que queima o carvão, atingindo temperaturas
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entre 1000º C e 1300º C. Com este equipamento, as partículas de ferro derretem
superficialmente unindo-se umas às outras, formando um bloco poroso,
vulgarmente conhecido como ferro esponja. Enquanto ainda está quente, este
bloco é quebrado em pedaços menores, denominados sínter. Outra maneira de
beneficiar o minério de ferro é por meio do processo de pelotização. Por este
processo, o minério de ferro é moído de modo a formar um aspecto bem fino, e
depois é umedecido para formar um aglomerado. O aglomerado é então colocado
em moinhos rotativos com forma de tambores, e à medida que os mesmos giram
os aglomerados vão se unindo formando pelotas de maior tamanho. Após o
processo, estas pelotas são submetidas à secagem e sofrem uma queima, para
ocorrer seu endurecimento. Depois do processo de beneficiamento, o minério vai
para o alto forno, para ser transformado em gusa.
55..11.. PPrroocceessssoo ssiiddeerrúúrrggiiccoo:: ddoo aallttoo ffoorrnnoo àà ppeeççaa aaccaabbaaddaa..
Alto forno é um forno vertical destinado à redução (retirada de oxigênio) do
minério de ferro e sua transformação em gusa. O processo ocorre da seguinte
maneira:
Etapa 1: o carregamento deposita na parte superior do forno uma carga
constituída de minério de ferro a reduzir, de coque ou de carvão vegetal (para
fornecer calor e CO necessários à redução) e de um fundente (calcário), para
fluidificar as impurezas e formar uma escória mais facilmente fusível. O carvão
vegetal não possui enxofre, e é considerado como combustível de alta qualidade,
porém seu uso acarreta grandes prejuízos ao meio ambiente. Já o carvão mineral
(coque ou ulha), pode ser extraído de jazidas, e possui teor aproximado de 17%
de enxofre. As matérias-primas sólidas são trazidas à parte superior do alto forno
por meio de carrinhos de um elevador ou transportador de correia. Na parte
superior a carga é feita através de uma anticâmara, que reduz ao mínimo a perda
de gases durante a carga.
Etapa 2: esta carga fica disposta em camadas sucessivas, formando uma espécie
de sanduíche. Na parte inferior do forno, logo acima do cadinho, é injetado ar
quente por meio de ventaneiras para alimentar a combustão do carvão e melhorar
o rendimento do forno. Nesta etapa, os óxidos de ferro sofrem um processo
conhecido como redução (perda de oxigênio) e carbonetação (incorporação de
carbono ao ferro líquido). Tais reações químicas ocorrem devido a um princípio
conhecido como contra-corrente. Enquanto o gás redutor resultante da combustão
sobe, a carga líquida vai descendo, formando zonas distintas dentro do forno. Na
primeira zona ocorre o pré-aquecimento da carga, na segunda ocorre à fusão dos
materiais e na terceira ocorre à combustão que alimenta as duas primeiras. A
redução, antes mencionada, acontece à medida que o minério, o carvão e os
fundentes descem na contra-corrente. Das reações que ocorrem, resultam os
seguintes produtos: o gusa, que goteja dentro do cadinho, indo para o fundo do
forno, e a escória, que flutua sobre o gusa e os gases. Os dois primeiros são
retirados por meio de orifícios adequados, e os gases, que são ricos em CO,
saem pela parte superior e são recolhidos para sua utilização como combustível.
Etapa 3: logo depois que os gases saem do alto forno e antes de serem
destinados a qualquer fim, eles passam por uma instalação purificadora que retira
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sua poeira existente. A enorme quantidade de ar a ser aquecido e insuflado, bem
como o volume de gases combustíveis que saem do alto forno, precisam de
grandes instalações para seu processamento. O ar insuflado é aquecido em
recuperadores cilíndricos verticais, cujo interior é constituído por câmaras de
combustão e por câmaras de recuperação, formadas por empilhamento de tijolos
refratários. Uma parte dos gases do alto forno é queimada nestes recuperadores,
para aquecê-los. Quando um deles está quente, insufla-se em sentido contrário o
ar destinado as ventaneiras, aumentando a temperatura. Neste ciclo procede-se o
aquecimento de um segundo recuperador, e assim alternadamente, ambos dão
prosseguimento ao processo. Outra parte dos gases do alto forno é utilizada para
fornecer energia que pode acionar máquinas de sopro, fornos de aço e outros
equipamentos. O excedente, caso exista, pode ser recolhido em gasômetros.
Etapa 4: consiste no transporte do gusa, que pode ser feito por meio de
caminhões dotados de caçambas especiais ou por meio de vagões tipo torpedo
(homogenizadores), destinados aos fornos de refino. Existe também o misturador,
que é uma estrutura intermediária cuja função é estocar e carregar o gusa sem
permitir que o mesmo esfrie, mantendo-o em constante movimento.
Etapa 5: uma vez dentro das aciarias, o metal necessita receber um processo de
refinamento, que irá transformá-lo de ferro para aço. O equipamento responsável
por este processo chama-se conversor. Nesta etapa o ferro gusa líquido é
misturado a ligas metálicas específicas, recebendo injeção de oxigênio, que
funciona como catalisador na elaboração do aço. Quando necessário, o aço
passa por uma etapa chamada refino secundário, normalmente realizada no forno
panela, com o objetivo de ajustar sua composição química e temperatura (é aqui
que são adicionados os ferros-ligas).
Recuperador A Alto fornoCompressor
Escória
4
Gusa sólido Gusa líquido
4 4
Ar
Ventaneiras
3
Purificador
2
Carga
ALTO FORNO
1
Calcário
Minério
Coque Gases
+ CO
ChaminéRecuperador B
Gás de alto forno
3
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Etapa 6: o aço refinado é transportado ao lingotamento contínuo, onde é vazado
em um distribuidor que o leva a diversos canais (veios). Em cada veio, o aço
líquido passa por moldes de resfriamento para solidificar-se na forma de tarugos,
que serão cortados em tamanhos convenientes para serem laminados depois. Os
tarugos ficam armazenados em pátios e recebem identificação segundo sua
procedência e composição química.
Etapa 7: consiste na preparação para laminação. Os tarugos serão aquecidos
novamente, através de um forno de reaquecimento, que eleva sua temperatura
numa faixa entre 1000 e 1200º C. O reaquecimento é necessáriopara permitir
que o processo de laminação ocorra. Ao alcançarem a temperatura desejada
dentro do forno, os tarugos vão sendo expulsos, um a um, através de um
empurrador, e começam a percorrer um caminho composto pelas seguintes
gaiolas (conjuntos de cilindros deformadores):
a) Gaiola de desbaste: proporcionam as primeiras deformações no tarugo,
preparando-o para iniciar os passos nos cilindros intermediários.
b) Gaiola intermediária: executam conformação a nível médio dos tarugos,
preparando-os para a etapa final do processo.
c) Gaiola do acabador: tem a função de atingir a forma final do produto e suas
respectivas tolerâncias dimensionais.
Etapa 8: o produto final pode ser apresentado na forma de chapas, barras ou
rolos de arame. Quando na forma de barras, saem da gaiola do acabador e são
conduzidas diretamente para um leito de resfriamento, para serem cortadas em
tamanho comercial e serem devidamente amarradas. Quando na forma de rolos,
o bloco recebe o tarugo laminado das gaiolas do intermediário, produzindo os
conhecidos fios-máquina (aços que se apresentam na forma de bobinas, que
serão usados na fabricação de arames). As bobinas de fio-máquina devem ser
decapadas, isto é, sua camada superficial oxidada é removida. Elas passam por
um processo conhecido como trefilação, que consiste na transformação mecânica
feita a frio do material, reduzindo seu diâmetro conforme a especificação do
cliente. Para aumentar a ductilidade (deformidade) dos fios trefilados, é preciso
aquecê-los novamente (este processo recebe o nome de recozimento e é feito
com controle de temperatura). Desta forma, as bobinas estão prontas para
servirem de matéria-prima à indústria.
66.. PPrroocceessssooss ddee ffaabbrriiccaaççããoo..
A transformação dos metais e ligas metálicas em peças de uso industrial
pode ser realizada por intermédio de inúmeros processos, tendo a maioria deles
como ponto de partida um metal líquido ou fundido, que é derramado no interior
de uma caixa, cuja cavidade é conformada de acordo com a peça que se deseja
produzir. Esta caixa recebe o nome de molde.
A forma da cavidade do molde pode ser tal que corresponda praticamente
à forma quase definitiva ou definitiva da peça que se deseja fabricar, ou pode
apresentar-se com contornos regulares (cilíndricos ou prismáticos) de modo que a
peça resultante possa ser posteriormente submetida a um tratamento de
Materiais para Construção Mecânica
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conformação mecânica, já no estado sólido, obtendo-se assim novos formatos de
peças.
Estudando os processos de fabricação, você irá perceber que eles sempre
utilizam produtos semi-acabados (chapas, barras, perfis, tubos, arames) como
matéria-prima. Assim, existem várias etapas de fabricação que devem ser
realizadas antes que o material se transforme em uma peça. Vamos conhecer
quais etapas são estas.
66..11.. FFuunnddiiççããoo..
É o processo de fabricação de peças metálicas que consiste
essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um molde (negativo)
com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada. Por partir
diretamente do metal líquido, este processo de fabricação possui algumas
vantagens:
™ As peças fundidas podem apresentar formas internas e externas bem simples
ou bastante complicadas, com formatos impossíveis de serem obtidos por outros
processos.
™ É possível produzir peças com poucas gramas de peso (e com espessura de
apenas alguns milímetros), até peças pesando muitas toneladas. As peças
fundidas só apresentam restrições dimensionais devido às limitações dos
equipamentos de cada indústria.
™ O processo de fundição permite um alto grau de automatização, portanto, é
possível produzir com velocidade e em grande quantidade.
™ As peças fundidas podem ser produzidas dentro de variados padrões de
acabamento (mais ásperos ou mais lisos) e com tolerâncias dimensionais
variadas (entre 0,2 mm e 6 mm aproximadamente), em função do processo
adotado. Por causa disto, há uma grande economia em operações de usinagem.
A matéria-prima utilizada para a produção de peças fundidas é
basicamente constituída por ligas metálicas ferrosas (ferro e carbono), e por ligas
não metálicas (cobre, alumínio, zinco, magnésio). O processo de fabricação
destas peças pode ser resumido nas seguintes operações:
1- Confecção do modelo: esta etapa consiste em construir um modelo com o
formato aproximado da peça a ser fundida. Este modelo vai servir para a
construção do molde (negativo). Suas dimensões devem prever a contração do
metal quando este se solidificar. Em peças que serão trabalhadas por máquinas
ferramenta, é necessário que exista um sobremetal (excesso de metal) para
posterior usinagem. Normalmente o modelo é feito em madeira, alumínio, aço,
resina plástica ou isopor. Os modelos podem ser utilizados para obtenção de
peças unitárias, sobretudo quando tratamos de peças com volumes
consideráveis, ou então montados em placas, quando a produção é seriada e as
peças possuem menores dimensões. Os modelos em placas facilitam a produção,
pois podem ser montados em máquinas de moldar.
Materiais para Construção Mecânica
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Curso Técnico em Mecânica Industrial
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2- Confecção do molde: o molde é o gabarito no qual o metal fundido será
despejado, sendo feito de material refratário composto por areia e aglomerantes.
Este material é despejado sobre o modelo, devidamente isolado por uma tinta
especial, e posteriormente retirado deixando uma cavidade com seu formato.
3- Confecção dos machos: machos são dispositivos feitos de areia, que tem a
finalidade de formar vazios, furos e reentrâncias nas peças. Eles possuem
extremidades cilíndricas, cônicas ou quadradas que se encaixam em marcações
feitas no molde. Sua montagem é feita antes que as partes constituintes do molde
bipartido sejam fechadas para receberem o metal líquido.
4- Fusão: é a etapa onde o metal muda de estado, indo de sólido a líquido, na
temperatura e na composição química desejada.
5- Vazamento: é o preenchimento do molde com metal líquido.
6- Desmoldagem: é o processo de eliminação do molde que serviu como
gabarito para a formação da peça. Ocorre depois de transcorrido o tempo
necessário para a completa solidificação da peça. Pode ser executado
manualmente ou mecanicamente.
7- Rebarbação: é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas
que se formaram durante a fundição. Normalmente é realizado quando a peça
encontra-se já na temperatura ambiente.
8- Limpeza: é a eliminação das incrustações de areia em torno da peça. É feita
por meio de escovas de aço ou por equipamentos dotados de jatos abrasivos (jato
de areia ou jato de granalha).
Esta seqüência de etapas é adotada no processo de fundição por
gravidade em areia, sendo o mais utilizado. No entanto, existem outros métodos
de fundição, dentre os quais podemos citar: fundição sob pressão, fundição por
centrifugação, fundição de precisão, etc.
Geralmente, qualquer que seja o processo adotado, os técnicos devem
fazer algumas considerações importantes antes de produzir uma peça. Vamos
conhecer mais detalhadamente tais considerações.
66..22.. DDeesseennhhoo ddaass ppeeççaass aa sseerreemm ffuunnddiiddaass..
Ao projetarmos uma peça para ser fundida, devem ser levados em conta os
fenômenos que ocorrem na solidificação do metal líquido no interior do molde,
evitando assim os defeitos oriundos do processo. Os fatores observados pelos
técnicos dizem respeito à estrutura do metal (estrutura em forma de cristais), que
aparece assim que o mesmo começa a se solidificar. As tensões provenientes do
resfriamento e a espessura das paredes da peça,quando não devidamente
considerados, podem resultar num produto não conforme. É preciso dimensionar
de maneira proporcional todas seções da peça, de modo a ocorrer uma variação
suave e gradual das espessuras, eliminando-se cantos vivos e mudanças bruscas
de direção.
Materiais para Construção Mecânica
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As figuras seguintes exemplificam como devem ocorrer as mudanças de
direção, de modo a não causarem falhas nas peças fundidas.
Paredes muito finas não são preenchidas totalmente pelo metal líquido, e
em certas ligas (como o ferro fundido), o resfriamento rápido proporcionado por
paredes finas pode resultar em pontos mais duros. A tabela seguinte apresenta
algumas recomendações a respeito das seções mínimas para peças fundidas:
Seção mínima, em mm:
Tipo de liga: Fundição em
areia
Fundição em
molde metálico
Fundição sob
pressão com
grandes áreas
Fundição sob
pressão com
pequenas
áreas
Alumínio 3,175 a 4,76 3,175 1,905 1,143
Cobre 2,38 3,175 2,54 1,524
Ferro fundido
cinzento
3,175 a 6,35 4,76 - -
Chumbo - - 1,905 1,016
Magnésio 4,0 4,0 a 4,176 2,032 1,27
Ferro maleável 3,175 - - -
Aço 4,76 - - -
Estanho - - 1,524 0,762
Ferro fundido
branco
3,175 - - -
Zinco - - 1,143 0,38
Materiais para Construção Mecânica
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Com relação aos machos, a tabela seguinte serve como referência para as
dimensões mínimas dos orifícios (furos). Às vezes, estes devem ser
preferivelmente executados depois da peça pronta, ou quando sua localização é
muito precisa em relação a outras superfícies da peça.
Processo de fundição: Diâmetro em mm:
Areia
D=1/2 t
D=diâmetro do macho
t=espessura da seção
Obs: D não deve ser menor que 6,35
mm
Molde metálico
D=1/2 t
D=diâmetro do macho
t=espessura da seção
Obs: D não deve ser menor que 6,35
mm
Sob pressão: ligas de cobre 4,76
Sob pressão: ligas de alumínio 2,38
Sob pressão: ligas de zinco 0,79
Sob pressão: ligas de manganês 2,38
66..33.. TTrriinnccaass ddeeccoorrrreenntteess ddee ccoonnttrraaççããoo..
Os metais, ao solidificarem, sofrem determinadas variações dimensionais.
Na realidade, do estado líquido ao estado sólido, três contrações podem ser
verificadas:
™ Contração líquida: correspondente ao abaixamento da temperatura até o
início da solidificação.
™ Contração de solidificação: correspondente à variação de volume que
ocorre durante a mudança do estado líquido para o sólido.
™ Contração sólida: correspondente a variação de volume que ocorre já no
estado sólido, desde a temperatura do fim da solidificação até a temperatura
ambiente.
A contração é expressa em porcentagem de volume. No caso da
contração sólida, a mesma é expressa linearmente, para facilitar o projeto e
conferência dos modelos. A contração sólida também pode variar de acordo com
a liga considerada. No caso dos aços fundidos, a contração linear devido à
variação de volume está entre 2,18% (aços de alto teor de carbono) e 2,47%
(aços de baixo teor de carbono). No caso dos ferros fundidos, a contração sólida
linear pode variar de 1 a 1,5% (ferro fundido cinzento comum) e de 1,3 a 1,5%
(ferro fundido nodular). Para o níquel e as ligas de cobre-níquel, os valores de
contração linear podem atingir valores entre 8 e 9%.
A contração dá origem a uma heterogeneidade conhecida por vazio ou
rechupe, ilustrada na figura abaixo. Inicialmente temos as seguintes fases:
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a) O metal está inteiramente no estado líquido.
b) A solidificação tem início a partir da periferia, onde a temperatura é mais baixa,
e caminha em direção ao centro.
c) Parte da figura corresponde ao fim da solidificação.
d) Parte da figura corresponde à contração sólida.
A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final é a
verdadeira causa do vazio ou rechupe (partes vistas em C e D da figura). A parte
D dá a entender também que a contração sólida ocasionou uma diminuição geral
das dimensões da peça solidificada. Estes vazios podem eventualmente estar
localizados na parte interior da peça ou próximos à superfície, sendo invisíveis
externamente. Tal problema pode ser eliminado mediante recursos adequados.
No caso da fundição de um lingote, o artifício adotado é colocar sobre o topo da
lingoteira uma peça postiça feita de material refratário, denominada cabeça
quente ou massalote. A função desta peça é reter o calor por um período maior
de tempo (onde o massalote corresponde à seção da peça que solidifica por
último) e deixar que nele apareça a concentração dos vazios. Também pode ser
utilizado um alimentador (canal), que serve como entrada para o metal líquido.
Assim, as seções mais grossas alimentam as partes menos espessas, e o
alimentador fica convenientemente suprido de excesso de metal, concentrando-se
nele os vazios também. Tanto o massalote quanto os canais de alimentação são
posteriormente cortados da peça, quando desmoldada, limpa e rebarbada.
Além desta anomalia, a contração verificada na solidificação pode
ocasionar o aparecimento de trincas e o aparecimento de tensões residuais. As
tensões residuais podem ser controladas por um adequado projeto da peça, e
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podem ser aliviadas por um tratamento térmico conhecido por TTAT (tratamento
térmico e alívio de tensões).
66..44.. CCoonncceennttrraaççããoo ddee iimmppuurreezzaass..
Algumas ligas metálicas contêm impurezas normais, que se comportam de
modo diferente, conforme a liga esteja no estado líquido ou no estado sólido. O
caso mais geral é o das ligas de ferro-carbono, que contêm impurezas como o
fósforo, o enxofre, o manganês, o silício e o próprio carbono. Quando estas ligas
estão no estado líquido, as impurezas estão totalmente dissolvidas no banho
metálico, formando um concentrado homogêneo. Ao solidificar, algumas destas
impurezas são menos solúveis no estado sólido (como o caso do fósforo e do
enxofre), e estes elementos vão acompanhando o metal líquido remanescente,
indo acumular-se na última parte sólida formada. A esta concentração de
impurezas damos o nome de segregação. A segregação pode ocorrer também
em peças laminadas e forjadas. Seu grande inconveniente é que o material acaba
apresentando composição química não uniforme, dependendo da seção
considerada, e conseqüentemente, propriedades mecânicas diferentes. Como as
zonas segregadas localizam-se no interior das peças (onde as tensões são mais
baixas), sua ocorrência pode ocasionar estruturas frágeis, devendo-se a todo
custo, evitar que tais concentrações ocorram. Para isto, é necessário um controle
rigoroso da composição química das ligas e um controle da velocidade de
resfriamento.
66..55.. DDeesspprreennddiimmeennttoo ddee ggaasseess..
Este fenômeno ocorre principalmente no caso das ligas de ferro carbono. O
oxigênio dissolvido no ferro tende a combinar com o carbono presente nesta liga,
formando os gases CO e CO2, que escapam facilmente à atmosfera, enquanto a
liga estiver no estado líquido. À medida que a viscosidade da massa líquida vai
diminuindo, e devido à queda de temperatura, fica mais difícil a fuga destes
gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das
peças, sob a forma de bolhas. Em aços de baixo teor de carbono