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Materiais de Construção Mecânica CCE 0687 Unidade 3 – Aços, Aços-Liga e Ferros Fundidos Aços para ferramentas e matrizes, aços resistentes à corrosão e à oxidação e aços refratários Professor: Fábio Oliveira. 2013/2. Aços para Ferramentas e Matrizes Introdução De maneira geral, são aços utilizados para trabalho (corte e remoção de material) e conformação de metais, plásticos e madeira, cerâmicos, rochas, etc. Introdução Do ponto de vista composicional, aços para ferramentas e matrizes são aços ao carbono ou aços ligados os quais podem ser endurecidos por tratamentos térmicos ou termoquímicos e/ou outro tipo de recobrimento superficial. Introdução Embora sejam uma fração relativamente pequena do total do aço produzido, estes aços assumem uma posição estratégica já que são usados para produzir outros produtos e materiais de engenharia. Introdução Para algumas aplicações, especialmente onde velocidades de corte extremamente elevadas são requeridas, outros materiais tais como metal duro e cerâmicas são utilizados. Requisitos Fundamentais Dureza à temperatura ambiente Resistência ao desgaste Temperabilidade Tenacidade Resistência mecânica Dureza a quente Tamanho de grão Usinabilidade Dureza à Temperatura Ambiente É óbvia a importância dessa propriedade, visto que a dureza da ferramenta ou matriz deve ser superior à dureza da peça sobre a qual exercerão sua ação de corte, usinagem ou conformação. Esta dureza depende principalmente do teor de carbono presente no aço carbono. Resistência ao Desgaste Requisito muito importante pois o desgaste pode causar falhas em muitos tipos de ferramentas. Há alguns fatores que influenciam este requisito como dureza, lubrificação e resistência mecânica. Para os aços carbono o teor de carbono tem grande influência nesta propriedade. Temperabilidade É um requisito indispensável pois uma maior penetração de dureza garante perfeita uniformidade de características mecânicas. Para os aços carbono comuns basta uma pequena adição de cromo para se obter uma temperabilidade completa à peça. Tenacidade Desejável em qualquer ferramenta ou matriz. Porém é difícil aliar os conceitos de elevada tenacidade e alta dureza. Alguns fatores que influenciam a tenacidade são: tensões internas (produzidas pela têmpera), dureza excessivamente alta, teor em ligas, etc. Resistência Mecânica Uma elevada resistência mecânica é indispensável, visto que os aços para ferramentas e matrizes devem apresentar a capacidade de suportar esforços sem o aparecimento de falhas ou deformação permanente. Dureza a Quente Propriedade que os aços podem apresentar de reter alta dureza a temperaturas elevadas. Altamente desejável em certos aços para ferramentas e matrizes, utilizados em altas temperaturas, devido ao calor das próprias condições de serviço. A presença de tungstênio, molibdênio, cobalto, cromo e vanádio são responsáveis por esta propriedade. Tamanho de Grão Desejável tamanho de grão pequeno ou granulação fina, pois estas características estão associadas à propriedades mecânicas superiores. Para os aços ferramenta o tamanho de grão é determinado pela fratura, quando o material é quebrado com uma dureza de 55 HRC, aproximadamente. Usinabilidade Não se pode associar às propriedades mencionadas sobretudo alta dureza e resistência, uma usinabilidade satisfatória. A usinabilidade é tanto menor quanto maior o teor em ligas, visto que se forma um apreciável número de carbonetos. Por outro lado, aumentando-se o teor de carbono e de elementos de liga, mais difícil será o recozimento do material. Fatores para o Atendimento aos Requisitos Fundamentais Composição química Tratamento térmico Composição Química •C – elemento essencial formando carbonetos conferindo dureza à temperatura ambiente e a elevadas temperaturas e resistência ao desgaste (0,40-2,35%C) ; •Si, Mn – desoxidantes e dessulfurante (Mn), melhorando a temperabilidade (Mn), 0,5- 0,6%; •Cr – adicionado principalmente para melhorar a temperabilidade. Aumenta a resistência mecânica, dureza e resistência ao desgaste (5-14%); •V – quando presente atua como desoxidante, controla o tamanho de grão e aumenta a temperabilidade. Forma carbonetos muito duros e estáveis a elevadas temperaturas, dureza a quente (0,25-4,50%); •W – um dos mais importantes elementos de liga nestes aços. Forma carbonetos, aumentando as durezas à temperatura ambiente e a quente, 600 °C (1,5-20%); •Co – contribui com o aumento da dureza a quente (5-12%); •Mo – substituto parcial do W. Tratamento Térmico Todos os aços para ferramentas e matrizes são utilizados no estado temperado e revenido. Meios de resfriamento: água, ar, óleo e salmoura. Classificação de Aços para Ferramentas e Matrizes - Temperáveis em água (W) - Resistentes ao choque (S) De baixa liga, temperáveis em óleo (O) - Para trabalhos a frio ou indeformáveis De média liga, temperáveis ao ar (A) De alta liga, temperáveis em óleo ou ao ar (D) Ao cromo (H1 – H19) - Aços para trabalho a quente (H) Ao tungstênio (H20 – H39) Ao Molibdênio (H40 – H59) Ao tungstênio (T), W + Co - Aços rápidos Ao Molibdênio (M), Mo + Co Aços Temperáveis em Água (W) - Aços tenazes e resistentes à abrasão; - Para obtenção destas propriedades trabalha- se com o teor de carbono entre 0,50 e 1,40%; - Aços carbonos simples ou com pequenas adições de cromo e vanádio; - 0,5 à 0,6 % Cmuito tenaz; - 0,8 % C boa tenacidade; - 1,2 % C grande dureza aliada à tenacidade; - 1,4 % C grande dureza. Aços Temperáveis em Água (W) Aplicações: - C até 0,75% martelos, ferramentas de ferreiro, etc; - C entre 0,75 e 0,90% lâminas de tesoura, matrizes para estampagens, etc; - C entre 0,90 e 1,10% fresas, mandris, etc; - C entre 1,10 e 1,40% ferramentas de tornos, brocas, etc; Aços Temperáveis em Água (W) Aços Resistentes ao Choque (S) - Possuem tenacidade de muito boa a excelente, com regular resistência ao desgaste; Aplicações: - Martelos; - Talhadeiras; - Brocas para concretos; - Lâminas de tesouras. Aços Resistentes ao Choque (S) Aços para Trabalhos a Frio ou Indeformáveis São, entre os aços para ferramentas e matrizes, os menos suscetíveis a alterações de forma e dimensões durante tratamentos térmicos e por isso são chamados de indeformáveis. Aços para Trabalhos a Frio ou Indeformáveis Baixa liga temperáveis em óleo (O): C: 0,9-1,2%; Mn: 0,25-1,6%; Si: 0,25%; Cr: 0-0,75%; W: 0- 1,75%; Mo: 0,25% (opcional). Aplicações típicas: matrizes de conformação a frio para pequenas séries, calibres e algumas ferramentas de usinagem que não geram elevadas temperatura durante serviço. Aços para Trabalhos a Frio ou Indeformáveis Média liga temperáveis ao ar (A): C: 0,7- 1,0%; Mn: 0,5-3,0%; Cr: 1,0-5,0%; Mo: 1,0%. Aplicações típicas: matrizes de formas complexas, matrizes para laminação de roscas e ferramentas de produzir fendas. Aços para Trabalhos a Frio ou Indeformáveis Alta liga temperáveis ao ar/óleo (D): C: 1,0- 2,25%; Cr: 12,0%; Mo: 1,0%; Co: 3,0%; W: 1,0%. Aplicações típicas: matrizes de conformação e corte para grandes séries, matrizes para laminação de roscas, moldes para tijolos, revestimentos resistentes à abrasão, calibres, etc. Aços para Trabalhos a Frio ou Indeformáveis Aços para Trabalhos a Quente São geralmente temperados ao ar/óleo. Apresentam boa tenacidade, resistência ao desgaste regular, usinabilidade regular, boa resistênciaao amolecimento pelo calor, boa estabilidade dimensional e grande temperabilidade. Aços para Trabalhos a Quente - Ao Cr e Cr-Mo (H1-H19) Matrizes para fundição sob pressão, matrizes de forjamento, ferramental para trabalho a quente (extrusão), lâminas de tesouras para corte a quente, etc. São os mais utilizados. - Ao Cr –W e W (H20-H39) Matrizes de extrusão de aços, cobre ou latão, moldes permanentes para fundição de latão, matrizes para prensagem e forjamento, etc. - Ao Mo (H40-H59) Aplicações similares aos aços anteriores desta categoria. São os menos utilizados. Aços para Trabalhos a Quente Aços Rápidos Principais tipos de aços utilizados em ferramentas, devido às suas características de alta dureza no estado temperado e retenção da dureza à temperaturas em que o gume cortante da ferramenta se torna vermelho, devido ao calor gerado na operação de usinagem. Todos os tipos de aço rápido contêm cromo e vanádio. Aços Rápidos Sua característica principal é a capacidade de operar em velocidades e outras condições de corte que podem elevar a temperatura do gume cortante da ferramenta a cerca de 550°C-600°C, durante a operação de usinagem. Aços Rápidos Aços Resistentes à Corrosão e à Oxidação e Aços Refratários Introdução São aços que resistem a corrosão atmosférica e outros meios corrosivos líquidos ou gasosos (aços inoxidáveis) e a oxidação a elevadas temperaturas (aços resistentes ao calor ou refratários). Introdução A corrosão e a oxidação dos metais à temperaturas acima da ambiente constituem uma importante causa de perda de peças. A corrosão, neste caso, é combatida por meio da “passividade” natural, isto é, a propriedade de permanecer inalterado no meio circunvizinho. Introdução A passividade é conseguida através da formação espontânea de uma película superficial de óxido muito resistente, característica dos aços inoxidáveis. Introdução A resistência ao calor, por sua vez, está relacionada com a resistência à oxidação à elevadas temperaturas. Assim, nos materiais resistentes ao calor associam-se três características: resistência à corrosão, resistência à oxidação à elevadas temperaturas e resistência à fluência. Introdução A corrosão pode ser compreendida como o inverso da galvanoplastia (processo de eletroquímico de oxidação/corrosão forçada). Na prática, entretanto, pares galvânicos são formados, cada qual com potenciais elétricos ou eletroquímicos próprios em contato com um eletrólito (água ou soluções aquosas ou ácidas por exemplo). Introdução Introdução Introdução Corrosão / oxidação do Ferro: Ânodo: Fe Fe +3 + 3e - Cátodo: 3e - + 3/2 H2O + 3/4 O2 3 OH - Precipitação: Fe +3 + 3 OH- Fe(OH)3 (passa gradualmente a Fe2O3, ferrugem) Aços Inoxidáveis Estes aços adquirem passividade quando certos elementos de liga, sendo os mais importantes o cromo (Cr) e o níquel (Ni) e em menor grau o Cu, Si, Mo, Al estão presentes. O Cr, de fato, é o elemento mais eficiente (em teores maiores que 10%) na maioria dos meios exceto aqueles contendo ácido clorídrico. Passividade Composição química: Cr é o principal elemento (10% no min., sendo necessários 20- 30% para completa passivação). Na seqüência vem o Ni (6-8%) melhora a resistência à corrosão em soluções com cloretos. Mo melhora a resistência à corrosão em ácido sulfúrico (Cu também) a temperaturas elevadas e na água do mar. Ta, Nb, Ti evitam a corrosão intergranular. Si melhora a resistência a oxidação a temperaturas elevadas. Condições de oxidação: podem ser utilizados em meios oxidantes como ácido nítrico mas não em meios redutores como em HF e HCl. Suscetibilidade à corrosão localizada (“pitting”): mais prejudicial que a generalizada, é devida ao Cl-. Suscetibilidade à corrosão intergranular: pode ocorrer em aços inoxidáveis austeníticos quando aquecidos em trabalho (400-800 °C) devido a precipitação de carbonetos complexos de Cr e Fe em contornos de grão. Aços Inoxidáveis A resistência à corrosão/oxidação dos aços inoxidáveis está fundamentalmente relacionada ao cromo como elemento de liga no ferro. Aços Inoxidáveis Ferríticos São ferro-magnéticos e são denominados não endurecíveis. O carbono é mantido entre (0,08-0,35%) e o teor de Cr varia em média entre 11,5 e 27%. Adições de S e Se (0,07%) melhora a usinabilidade. Aços Inoxidáveis Austeníticos São os mais importantes dentre os aços inoxidáveis, apresentando simultaneamente Cr (16-26%) e Ni (6-22%). O carbono é mantido baixo (0,08%) até 0,25% max. para maiores teores de Cr (22-26%) e Ni (12- 22%). São não magnéticos, não endurecíveis por tratamentos térmicos (endurecem quando são encruados-austenita transforma-se em ferrita supersaturada de carbono). Neste aços pode ocorrer a corrosão intergranular a qual pode ser eficientemente combatida com a adição de Ti (5x %C) ou Nb (10x %C). Aços Inoxidáveis Martensíticos São ligas Fe-C-Cr contendo 0,15 a 1,20% de C e 11,5 a 18,0% de Cr. Algumas categorias destes aços contêm pequenas quantidades de Ni e outros elementos de liga. Estes aços tornam-se martensíticos e portanto endurecem após têmpera. Aços Resistentes ao Calor São aços que quando expostos de maneira contínua ou intermitente em meios gasosos ou líquidos e à temperaturas elevadas (acima dos 400°C), apresentam capacidade de suportarem, em serviço, solicitações do tipo mecânica e/ou química. Aços Resistentes ao Calor Os principais campos de aplicação destes materiais são as industrias do petróleo e química em equipamentos como fornos, estufas, em turbinas a gás e a vapor, na indústria automobilística e aeronáutica. Aços Resistentes ao Calor A temperaturas superiores aos 400°C, as propriedades normais dos metais como as mecânicas e a resistência à corrosão e à oxidação começam a decair sobretudo a resistência mecânica que, ao longo do tempo, diminui e produz, sob carga constante, deformação conhecida como fluência. Aços Resistentes ao Calor A resistência à fluência e as resistências à corrosão e à oxidação, são, desta maneira, os principais requisitos exigidos dos aços refratários. Outros requisitos igualmente importantes são a estabilidade térmica e estrutural e a resistência à fadiga. Aços Resistentes ao Calor Com relação a composição química estes aços podem ser agrupados, de maneira geral, em duas categorias: - Aços ao cromo: 5-30 %Cr; - Aços cromo-níquel: 16-26 %Cr; 8-22 %Ni. Fluência Efeito do Cromo nos Aços Exercícios 1 – Por que os aços para ferramentas e matrizes tem um papel de destaque? 2 – O que são aços resistentes ao calor? 3 – Quais são as principais composições de ligas para aços resistentes ao calor? 4 – O que são aços para ferramentas e matrizes? 5 – O que são aços rápidos e quais os dois tipos?
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