MCM Siderurgia e Ferro Fundido matéria

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Materiais de 
Construção Mecânica
� Diagramas de Fases
� Siderúrgia
� Ferros fundidos
� Classificação aços
� Tratamento térmico
DIAGRAMAS DE FASES:
FASES: Quando duas fases estão presentes em um sistema, não é necessário que
haja diferenças em ambas as propriedades físicas e químicas, mas basta uma
disparidade em alguma outra propriedade (água e gelo). Da mesma forma, se uma
substância puder existir em duas ou mais formas alotrópicas (polifórmicas), a cada uma
corresponderá uma fase separadamente (CCC e CFC).
Sistema homogêneo: uma única fase;
Sistema heterogêneo: mistura de fases.Sistema heterogêneo: mistura de fases.
Na interface entre fases haverá uma descontínua e abrupta mudança nas
características físicas e químicas;
MICROESTRUTURA: Em ligas metálicas, microestrutura é caracterizada pelo número e
pela proporção de fases presentes e a forma em que estão distribuídas e arranjadas. A
microestrutura de uma liga depende de variáveis como: elementos de liga presentes,
sua concentração e o tratamento térmico da liga (temperatura, tempo de permanência à
temperatura e a taxa de resfriamento à temperatura ambiente);
ENERGIA LIVRE (EQUILÍBRIO DE FASES): definido como a energia interna de um
sistema e a desordem dos átomos ou das moléculas (entalpia) Isto é: um sistema
estará em equilíbrio se sua energia livre for mínima numa dada composição de
temperatura e pressão (reportar-se ao diagrama “água e açúcar”).
Macroscopicamente significa dizer que as características do sistema não muda com o
tempo. Em sistemas sólidos, o estado de equilíbrio nunca é completamente alcançado
por tratar-se de um processo extremamente lento. Tal estado é dito ser “metaestável”
e pode persistir indefinidamente.
DIAGRAMAS DE FASES:
e pode persistir indefinidamente.
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
DIAGRAMAS DE FASES:
Introdução
• arte de extração de metal da natureza
• ouro, cobre 
• inicialmente por tentativa e erro e passado de pai para filho
• cobre primeiro metal a ser reduzido com carvão
SIDERÚRGIA:
• cobre primeiro metal a ser reduzido com carvão
• atualmente várias operações complexas para obter os metais
estado da arte = menor desperdício na operação - necessidade 
de conhecer as principais reações que ocorrem na operação
• conhecer as reações para facilitar a redução de perda
Metálicos : formados por elementos metálicos e podem conterMetálicos : formados por elementos metálicos e podem conter
elementos não metálicos - formam ligas que possuem
propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, possuem estrutura
cristalina definida. Podem ser divididas em ferrosos (aço e ferro
fundido) e não ferrosos(Al,Ti,Cu,Pb,etc..)
Minério de Fe
Alto teor Baixo teor
Resíduo 
ganga
Preparação de minério
finosgrossos
Sinterização/ Pelotização
g
á
s
Sinterização/ Pelotização
Redução em alto forno
Refino Siemens-Martin Refino LD - Bessemer
Coque e fluxante
escória
gusaSucata
Fluxo de processo para o ferro
800
1000
1200
1400
1600
m i l h õ e s d e t d e a ç o
30 40 50 60 70
m i l h õ e s d e t d e C u ; A l
aço
alum
ínio
cob
re
0
200
400
600
1 9 5 0
1 9 5 5
1 9 6 0
1 9 6 5
1 9 7 0
1 9 7 5
1 9 8 0
1 9 8 5
1 9 9 0
1 9 9 5
2 0 0 0
2 0 0 5
2 0 1 0
m i l h õ e s d e t d e a ç o
0 10 20 30
m i l h õ e s d e t d e C u ; A l
SIDERÚRGIA:
1.2 Aço e ferro fundido
O senso comum chama de “ferro” o que na verdade é o aço (liga de ferro com carbono
e outros elementos químicos em menor quantidade). O ferro é um elemento químico
que é obtido a partir dos minérios de ferro que são encontrados na natureza.
A metalurgia do ferro que é mais conhecida por siderurgia é o processo de obtenção do
aço a partir, principalmente, de minérios de ferro. Os minérios de ferros são os óxidos,
sulfetos, carbonetos e silicatos. Os óxidos (magnetita; hematita; limonita), sob o ponto
de vista siderúrgico, são os mais importantes.
Reunindo o minério de ferro com carvão (vegetal ou mineral) e o calcário resulta o ferro
gusa (material de primeira fusão do alto forno).
Ferro gusa:
Área da Metalurgia Extrativa e Refino
SIDERURGIA:
Área da Metalurgia de Conformação Mecânica
Transformação de produtos planos
SIDERURGIA:
Área da Metalurgia de Conformação Mecânica
Transformação de longos
SIDERURGIA:
Produtos siderúrgicos Os produtos de uma 
usina siderúrgica são 
essencialmente aços 
laminados:
Produtos planos
Produtos longos321
1. Chapa grossa
2. BQ
SIDERURGIA:
987
654
2. BQ
3. BF
4. Aço elétrico
5. BR
6. Perfil pesado
7. Sheet pile
8. Barra
9. Fio máquina
Alto-forno e regeneradores
SIDERURGIA:
O processo de redução no alto forno
Minério de 
ferro granulado
sinter
SIDERURGIA:
coqu
e
calcáreo
pelotas
http://www0.nsc.co.jp/monozukuri/vol10.html
http://www0.nsc.co.jp/shinnihon_english/nsnews/pdf/2006121814120620774.pdf
Transporte do gusa líquido e transferência para a panela
vazamento do 
gusa líquido
SIDERURGIA:
gusa 
líquido
panela de gusa
carro torpedo
Carregamento de sucata e gusa no conversor
SIDERURGIA:
26
Vazamento do aço líquido do conversor para a panela
+ adições de ferroligas
FeMn, Alumínio,
FeSi, Coque, etc.
SIDERURGIA:
FeSi, Coque, etc.
Refino secundário de aço líquido
SIDERURGIA:
Lingotamento contínuo
SIDERURGIA:
Aquecimento das placas
SIDERURGIA:
Forno de aquecimento de placas
Fluxograma geral de produção de bobinas laminadas a quente (BQ, TQ)
SIDERURGIA:
Laminação de tiras a quente
Cadeiras de desbaste
SIDERURGIA:
Trem acabador
Utilização de tiras laminadas a quente na indústria automobilística
33
Fluxograma geral de produção de bobinas laminadas a frio
Laminação de tiras a frio
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necessário excluir a imagem e inseri-la novamente.
Produtos fabricados com 
chapas laminadas a frio 
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Linha de fabricação de folhas de flandres (tinplates)
Aplicação das folhas estanhadas
Aplicação das folhas cromadas
Linha de zincagem por 
imersão a quente
Linha de zincagem eletrolítica
40
Fabricação de tubos de grande diâmetro – processo UOE
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Fluxograma de produção de perfis de abas largas
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Fluxograma de produção de tubos para 
indústria do petróleo - 2
TUBOS SEM COSTURA TUBOS SOLDADOS
43
Fluxograma de produção de barras e fio-máquina
44
Produtos fabricados a partir de barras e fios-máquina
Propriedades mecânicas e 
composição química 
Aplicação e processo de 
fabricação do produto 
Exemplo: aço para construção de gasoduto Sibéria - Europa 
• pressão interna de xxx Pascal 
• temperatura ambiente mínima de -30oC
• fragilização por hidrogênio (HIC)
• métodos de conformação: dobramento e soldagem (na fábrica e em campo)
Fundamental: conhecer os esforços a que o aço será submetido 
durante a conformação e durante a sua vida em serviço
Soldabilidade
Elasticidade, resistência a
tração, profundidade de
tempera, dureza a quente,
resistência a quente,
Silício
Si
ponto de fusão, tenacidade,
alongamento, soldabilidade,
forjabilidade
resistência , dureza,
temperabilidade
Carbono
C
AbaixaElevaElemento
Elementos de liga
a facilidade de
transformação
(laminação e trefilação)
profundidade de tempera,
resistência a tração
resistência ao choque,
resistência ao choque
Manganês
Mn
resistência ao choque
quebra de cavaco
(usinabilidade), viscosidade
Enxofre
S
Alongamento, resistência ao
choque
Fluidez, fragilidade a frio,
resistência a quente
Fósforo
P
resistência a quente,
resistência a corrosão,
Si
dilatação térmica
Tenacidade, resistência a
tração, resistência a
corrosão, resistência
elétrica,. Resistência a
quente, profundidade de
tempera
Níquel Ni
AbaixaElevaElemento
Elementos de liga
alongamento
dureza, resistência a
tração, resistência a
quente, temperatura de
tempera, resistência a
frio, resistência ao
desgaste, resistência a
corrosão
Cromo
Cr
tempera
FERRO FUNDIDO
É uma liga de Fe-C (2 a 4,5%) com elevado teor de silício e de ligas
para modificar propriedades. Apresenta ponto de fusão mais baixo
que o aço, apresenta boa moldabilidade. Devido ao alto teor de C a
sua dureza é mais alta, por causa do silício forma-se grafita em sua
estrutura. São mais frágeis, não é possível deformar a quente
(laminar ou forjar).
Ferros Fundidos
(laminar ou forjar).
Geralmente são produzidas em forno cubilot, forno elétrico e forno
de indução.
Tipos de ferro fundido
Dependendo da sua composição o ferro fundido pode ser: cinzento,
nodular, branco, maleável.
O carbono contido no ferro fundido (FOFO) pode estar na
forma combinada com o Fe, formando a cementita, ou na
forma de grafita (veios ou nódulos).
Quando o carbono está em forma de grafita a fratura do
fofo, apresenta uma fratura cinzenta- FERRO FUNDIDO
CINZENTO. A quantidade e os tamanhos dos veios de
Ferros Fundidos
CINZENTO. A quantidade e os tamanhos dos veios de
grafita dependem da composição química (Si alto) e da
velocidade de resfriamento (lenta).
Aumentando a velocidade de resfriamento e aumentando
ligas formadores de carbonetos há formação do ferro
branco. (quando fraturado a fratura é branca).
Ferros Fundidos Cinzentos
Uma definição: 
São ligas Fe-C-Si nas quais a maior parte do C apresenta-se na
forma de lamelas de grafita.
• % Carbono : 2,7 a 3,8% • % Carbono : 2,7 a 3,8% 
• % Silício : 1,5 a 2,6 %
• Carbono equivalente: 3,5 a 4,4%
Carbono equiv. = %C + 1/3%Si + 1/3%P
Aspecto da grafita lamelar
PROPRIEDADES 
⇔APLICAÇÕES
Ferros Fundidos
Fofo Cinzento – apresenta boa usinabilidade e grande
capacidade de absorver vibrações. São (eram) usados para
cabeçotes de motor, equipamentos agrícolas, bielas,etc..
- Boa usinabilidade;
-Alta capacidade de absorver choques;
- Boa transferência de calor.- Boa transferência de calor.
Aplicação:
- Blocos de motores, base de máquinas;
- Cabeçotes de motores;
- Carcaças de platôs de embreagem.
Ferros Fundidos
Ferro fundido nodular: A grafita apresenta na forma
arredondada, obtido com adição de Mg no liquido
(nodulização). Com auxilio de tratamento adequado pode
apresentar propriedades mecânicas como ductilidade e
tenacidade.
Uma definição: 
São ligas Fe-C-Si nas quais a maior parte do C apresenta-se na
forma de Nódulos de grafita.
FERROS FUNDIDOS NODULARES
Propriedades mecânicas
Normas mais utilizadas: ASTM A536; DIN 1693; ISO 1083; NBR 6916 
KARSAY (Ductile Iron – engineering design, properties, applications:
Classe1
Nodulares de altíssima resistência mecânica. Matriz de martensita 
revenida ou bainita. Exige elementos de liga e tratamento 
térmico($$$); Limite de escoamento mínimo de 640 MPa.
Classe 120-90-02 da ASTMClasse 120-90-02 da ASTM
CILINDRO DE LAMINAÇÃO 57
Propriedades mecânicas
Classe 2
Nodulares de alta resistência mecânica. Matriz de perlita. Exige 
elementos de liga ou tratamento térmico($$); Limite de escoamento 
mínimo de 500 MPa.
Classes :
ASTM 120-70-03; 
DIN GGG80DIN GGG80
Engrenagem (compressor)
58
Propriedades mecânicas
Normas mais utilizadas: ASTM A536; DIN 1693; ISO 1083; NBR 6916 
KARSAY (Ductile Iron – engineering design, properties, applications
Classe 3
Matriz com predominância de perlita. Obtido bruto de fundição; 
Limite de escoamento mínimo de 400 a 450 MPa.
Classes :Classes :
ASTM 80-55-06; 
DIN GGG70 ou GGG60; 
ISO 700/02 OU 600/02
Indústria de papel - cilindros
59
Propriedades mecânicas
Classe 4
Materiais relativamente moles. Matrizes meio a meio ou 
predominantemente de ferrita. Obtidos brutos de fundição; Limites 
de escoamento mínimos de 280 a 350 MPa. Alongamentos mínimos 
a partir de 7% até 15%. 
Classes :
ASTM 65-45-12; ASTM 65-45-12; 
DIN GGG50 e GGG40
ISO 500/07 e 420/12
60
Propriedades mecânicas
Classe 5
Materiais com a mais alta dutilidade.Alongamentos mínimos entre 
17 e 24%. Impacto até 20J(Charpy V).Matrizes totalmente ferríticas. 
Frequentemente obtidos por recozimento. Podem ser obtidos brutos 
de fundição. Limites de escoamento inferiores a 280 MPa. Classes :
ASTM 60-40-18; 
DIN GGG 40.3 e GGG 35.3
ISO 380/17ISO 380/17
Carcaça de 
turbocompressor, 
5 t. 
Pistões para 
ferramenta 
pneumática
GGG40.3
61
Cinzentos vs. nodulares
Cinzento
CE:3,5 a 4,4
Nodular
CE:4 a 4,8
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Ferros Fundidos
Fofo branco- apresenta dureza elevada, são frágeis
resistente a abrasão e ao desgaste – São usados em
moagem de minérios, rodas de vagões, cilindros de
laminação
São ligas do sistema Fe-C nas quais a maior parte do C
apresenta-se na forma de carbonetos.
As ligas principais são a do sistema Fe-Cr-C, com %Cr ≥ 10 e
%C ≥ 1,8%.
Ligas do sistema Fe-Cr-C, cujas composições químicas são
descritas na norma ASTM - 532, classes II e III.
Bolas de 
moinho
APLICAÇÕES 
TÍPICAS
moinho
moagem de 
carvão
Bombeamento 
de lamas 
abrasivas
Cilindro de 
laminação
Fofo branco- apresenta usinabilidade ruim, capacidade de
amortecimento de vibrações ruim, dureza elevada e alta
fragilidade, alta resistência a compressão e ao desgaste e
abrasão.
Ferros Fundidos
Aplicação:
- Equipamentos de manuseio de terra;
- Equipamentos de mineração;
- Equipamentos de moagens.
Fofo maleável- é um material que apresenta vantagens do aço
e do fofo cinzento- alta resistência mecânica e alta fluidez no
estado liquido, permitindo produção de peças fins e complexas.
É produzido a partir do fofo branco.
Fero Fundido de núcleo preto (ou americano): O fofo branco
passa por um tratamento térmico em atmosfera neutra, em que
a cementita se decompõe em grafita compacta. Ele é usado
Ferros Fundidos
66
a cementita se decompõe em grafita compacta. Ele é usado
suporte de caixa de direção, cubos de rodas, conexões,..
Ferro Fundido de núcleo branco: o fofo branco passapor um
tratamento térmico em atmosfera oxidante, qual promove a
descarbonetação e adquire característica semelhante a do aço,
podendo até soldar. – Usado em barras de torção, corpos de
mancais, flanges de tubos de escapamento.
Equipamento s de
manuseios de terra ,
Dureza e fragilidade,
Elevada resistência a
compressão resistente
Blocos, cabeçotes de
motor, carcaças de
platôs de embreagem
Boa usinabilidade
capacidade de
amortecer choquesFerro fundido cinzento
ProdutosPropriedadesTipo de Ferro fundido
Ferros Fundidos
Mancais, girabrequins,
caixas de diferencial,
carcaças detransmissão
Ductilidade, tenacidade.
usinabilidade,Resistênci
a mecânica e a corrosãoFerro fundido Nodular
suporte de mola, caixas
de direção cubos de
rodas
Alta resistência
mecânica e alta fluidez
no estado líquido.
Resistentes ao choque e
as deformações
Ferro fundido maleável
(preto ou branco)
manuseios de terra ,
mineração , moagens
compressão resistente
ao desgaste e abrasãoFerro fundido branco
TRATAMENTOS TÉRMICOS 
CONCEITO DE TRATAMENTOS TÉRMICOS 
É a sequência de operações de aquecimento, permanência à
temperatura e resfriamento a que são submetidas ligas
metálicas, sob condições controladas de temperatura, tempos,
atmosfera do forno e velocidade de resfriamento, com o
objetivo de alterar as características do material.objetivo de alterar as características do material.
São ciclos controlados de aquecimento e resfriamento
realizados com o objetivo de adequar as propriedades dos
aços às exigências de suas inúmeras aplicações.
CONCEITO DE TRATAMENTOS TÉRMICOS 
A possibilidade de utilização do aço em diferentes aplicações
decorre da ampla variação em suas propriedades mecânicas,
a qual pode ser obtida através de ajustes em sua
microestrutura.
Assim tratamentos térmicos são realizados visando a ajustar a
microestrutura do aço e desta forma obter as propriedades do
aço necessárias para a aplicação final deste produto.
FINALIDADES DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS: 
As alterações microestruturais produzidas pelos tratamentos
térmicos atendem a várias finalidades, tais como:
• Facilitar processos de conformação mecânica que serão
realizados a seguir para a obtenção do produto final;realizados a seguir para a obtenção do produto final;
• Obter diretamente propriedades exigidas para uso do produto
final;
• Obter vantagens econômicas pela redução de custos com
matérias primas e custos de transformação.
VARIÁVEIS INFLUENTES NOS TRATAMENTOS: 
Os resultados dos tratamentos térmicos dependem das
seguintes variáveis do material, peça ou processo aplicado:
• Composição química do material;
• Estrutura interna inicial: tamanho de grão austenítico,
homogeneidade da austenita
• Geometria da peça: forma e dimensões;
VARIÁVEIS INFLUENTES NOS TRATAMENTOS: 
• Taxa de aquecimento;
• Temperatura de austenitização;
• Tempo de permanência à temperatura;• Tempo de permanência à temperatura;
• Ambiente de aquecimento;
• Condições de resfriamento.
AÇOS ESPECIAIS 
DEFINIÇÃO:
Aço especial é uma liga de ferro e carbono com quantidades
variáveis de elementos de liga que permitem, mediante osvariáveis de elementos de liga que permitem, mediante os
tratamentos termomecânicos apropriados, alcançar com
garantia a forma e características necessárias para sua
utilização.
CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESPECIAIS 
Há vários critérios para a classificação dos aços especiais. Entre
os mais usuais estão:
• Composição química;
• Propriedades mecânicas e processo de acabamento;
• Microestrutura;
• Forma do produto acabado e aplicação.
AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 
São os aços utilizados na fabricação de máquinas e
componentes para a indústria mecânica.
Podem ser classificados quanto à composição química em:
• Aços para construção mecânica ao carbono;• Aços para construção mecânica ao carbono;
• Aços para construção mecânica ligados.
Tipos de aços para construção mecânica:
Aços para cementação e beneficiamento;
Aços para rolamentos e aços para molas;
Aços ao boro e aços microligados;
Aços ao carbono e aços de usinagem fácil.
AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 
Tipos de aços para construção mecânica:
Aços para cementação;
Aços para beneficiamento;
Aços para rolamentos;Aços para rolamentos;
Aços para molas;
Aços ao boro;
Aços microligados;
Aços ao carbono;
Aços de usinagem fácil.
AÇOS FERRAMENTA :
São os aços utilizados nas operações de corte, conformação,
afiação e quaisquer outras relacionadas com a modificação
de um material para um formato utilizável .
Estes aços se caracterizam pelas suas elevadas dureza e
resistência à abrasão, geralmente associadas à boaresistência à abrasão, geralmente associadas à boa
tenacidade e manutenção das propriedades de resistência
mecânica em elevadas temperaturas. Estas característica
normalmente são obtidas com a adição de elevados teores de
carbono e elementos de liga, tais como tungstênio,
molibdênio, vanádio, manganês, cobalto e cromo.
Tipos de aços ferramenta: 
Aços temperáveis em água;
Aços temperáveis em óleo;
Aços temperáveis ao ar;
Aços para trabalho a frio;Aços para trabalho a frio;
Aços para trabalho a quente;
Aços resistentes ao choque;
Aços rápidos;
Aços para moldes.
AÇOS INOXIDÁVEIS: 
- São os aços que têm resistência à corrosão superior à dos
aços carbono.
- Não são inertes em todos os meios, mas não são atacados
por muitos deles ou são atacados de forma significativamente
mais lenta do que os aços carbono.mais lenta do que os aços carbono.
- O elemento mais importante para aumentar a resistência à
corrosão do aço é o cromo; o segundo mais importante é o
níquel. Com ou sem a adição de outros elementos são
formados tipos com uma variedade de propriedades e
características.
AÇOS INOXIDÁVEIS: 
Tipos de aços inoxidáveis:
- Austeníticos;
- Ferríticos;
- Martensíticos;
- Duplex;
- Endurecíveis por precipitação.
RECOZIMENTOS 
São tratamentos térmicos caracterizados pelo resfriamento em
velocidade inferior à velocidade crítica, a partir de temperaturas
acima ou abaixo da zona crítica, dependendo do tipo de
recozimento.
Entre os vários tratamentos que recebem este nome, serão
discutidos os seguintes:
• Recozimento subcrítico;
• Recozimento para alívio de tensões;
• Recozimento isotérmico;
• Recozimento total ou pleno;
• Recozimento para difusão do hidrogênio.
OBJETIVOS DOS RECOZIMENTOS
• Remover tensões resultantes dos processos de fundição e 
conformação mecânicas, a quente e a frio; 
• Diminuir a dureza para melhorar a ductilidade; 
• Ajustar o tamanho de grão; • Ajustar o tamanho de grão; 
• Regularizar a textura bruta de fusão; 
• Produzir uma estrutura definida para melhorar a usinabilidade. 
RECOZIMENTO SUBCRÍTICO 
Neste tratamento térmico não é necessário atingir-se a taxa de
temperatura correspondente a recristalização (zona crítica),
este tratamento ocorre abaixo de 723ºC, com posterior
resfriamento lento ou ao ar calmo. Seu principal objetivo é
reduzir a dureza e dar uma maior homogeneidade a estrutura,
principalmente nas estruturas encruadas.