Processos Metalurgicos

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Processos Metalúrgicos 
Conceitos básicos de metalurgia 
5º período – Eng. mecânica 
1.0 Conceitos básicos 
 
Metalurgia – arte e ciência da produção de metais e ligas metálicas com a 
forma e as propriedades convenientes a sua utilização. 
 
Minério – elemento ou composto químico, homogêneo, que resulta de 
processos inorgânicos da natureza e que tem composição química ou série de 
composições. 
 
Metal – substância cristalina, boa condutora de calor e eletricidade, brilhante, 
com propriedades mecânicas de dureza, ductilidade, maleabilidade, permitindo 
que seja moldado, estirado e torneado. 
 
Metal puro – elemento químico que não contém o menor indício de outro 
elemento ou qualquer impureza em sua constituição. 
 
Liga metálica – é um sistema físico-químico contendo mais de um elemento, 
dos quais pelo menos um é metal. 
Ex.: AlSi, CuSn (bronze), CuZn (latão), AlMg (ligas leves), aço, ferro fundido, etc. 
 
 
 
Minério de origem 
Metal extraído 
Nome Composição 
Bauxita Al2O3.H2O Alumínio 
Cromita Cr2O3.FeO Cromo 
Cassiterita SnO2 Estanho 
Hematita Fe2O3 Ferro 
Limonita Fe2O3.H2O Ferro 
Magnetita Fe3O4 Ferro 
Pirolusita MnO2 Manganês 
Sílica / Quartzo SiO2 Silício 
Tabela 1 – Minerais 
Aço – liga de ferro carbono contendo geralmente de 0,008% até 
aproximadamente 2,11% de carbono. 
Dividem-se em: 
 
Aço carbono – produto que contém em sua composição química ferro e 
carbono, além de certos elementos residuais resultantes dos processos de 
fabricação. 
 
Aço liga – aço que contém além do ferro e carbono outros elementos, tais 
como: cromo (Cr), manganês (Mn), molibdênio (Mo), níquel (Ni), vanádio (V), 
etc. 
 
A importância dos aços provém de vários fatores: boa resistência e 
ductilidade, possibilidade de ser forjado, laminado, estampado, estirado, 
moldado, caldeado e modificado em suas propriedades mecânicas por meio de 
tratamento térmicos, químicos e termo-químicos 
Ferro fundido – ligas de ferro, carbono e silício, além de outros elementos 
resultantes do processo de fabricação ou adicionados propositadamente, com a 
finalidade de promover mudanças nas características mecânicas do produto final. 
 
O carbono nos ferros fundidos, está compreendido na faixa de 2,11% a 6,7% e se 
encontra sob a forma livre (grafita) e/ou combinado (cementita). 
 
Os ferros fundidos não podem ser deformados nem a frio nem a quente, visto que 
se romperiam, portanto as peças fabricadas são fundidas diretamente em sua 
forma definitiva. 
 
Sua resistência normalmente é inferior ao aço, por isso é empregado em peças 
sujeitas a esforços menores. Porém sua utilização é muito grande, tais como: 
volantes, cubos, engrenagens, mancais, suportes, virabrequins, etc. 
 
Possuem, de modo geral, boa usinabilidade pois a presença da grafita na 
microestrutura proporciona, além de uma auto-lubrificação, a necessária quebra do 
cavaco. 
Tipos de ferros fundidos: 
- FºFº branco – ferro onde todo o carbono existente, está sob a forma combinada (carboneto). Este 
tipo de ferro possui uma dureza muito alta, tornando a usinabilidade difícil. Sua fratura é esbranquiçada pelo 
fato do carbono está combinado, não existindo a grafita. 
 
- FºFº cinzento – possuem uma fratura de coloração escura, daí a sua denominação. Uma 
parcela relativamente grande de carbono está no estado livre (grafita) e a outra combinada (cementita). 
Nessas ligas a grafita encontra-se na forma de veios ou lamelas. 
 
 
 
Fig. 1 – fundido cinzento. Sem ataque, ampliação de 100 XFerro. 
-FºFº vermicular – é um ferro fundido que apresenta propriedades intermediárias entre o ferro 
fundido cinzento e o ferro fundido nodular. Apresenta a grafita sob a forma vermicular. 
 
 
 Fig. 2 – Ferro fundido vermicular. Sem ataque, ampliação de 100 X. 
 
 
-FºFº nodular – é caracterizado por apresentar a grafita sob a forma de nódulos ou esferóides em decorrência da 
adição de certos elementos químicos, normalmente o magnésio. Apresenta boa ductilidade e alta resistência. 
 
 
 
Fig. 3 – Ferro fundido nodular. Sem ataque, ampliação de 100 X. 
FºFº nodular austemperado (Austempered Ductile Iron – ADI) – 
é um ferro fundido nodular ligado e tratado termicamente. A sua microestrutura 
consiste de ferrita acicular e austenita. 
Com esta estrutura, o ferro apresenta elevados valores de resistência mecânica, 
ductilidade, resistência ao impacto e ao desgaste, proporcionando grande 
flexibilidade à concepção e fabricação de peças. 
 
 
FºFº mesclado – 
apresenta fratura de coloração mista entre branca e cinzenta, caracterizado 
igualmente por uma mescla de proporções variáveis de ferro fundido branco e 
ferro fundido cinzento. 
 
 
FºFº maleável – 
é obtido a partir do ferro fundido branco, mediante um tratamento térmico 
especial (maleabilização), resultando numa transformação de praticamente todo 
o ferro combinado em grafita na forma de nódulos. 
2.0 Fundição 
 
 
É o processo de conformação mecânica que consiste na fusão do metal ou da liga 
metálica em fornos próprios e o posterior vazamento do metal líquido em moldes, 
cuja forma e dimensões interna é a mesma da peça a ser produzida. 
 
Pode ser considerado como o menor caminho entre a matéria prima e o bem 
produzido. 
 
Deste modo, num passo único, formas simples ou complexas podem ser feitas de 
qualquer metal que possa ser fundido. 
 
As peças fundidas podem variar desde frações de centímetros e baixo peso até 
vários metros e toneladas. Este tipo de tecnologia tem sérias vantagens na 
produção de formas complexas, peças com seções côncavas ou com cavidades 
internas e peças muito grandes. 
 
Devido a estas vantagens óbvias, a fundição é um dos mais importantes 
processos de produção. 
Contudo, como em todas as técnicas de produção, os melhores resultados a 
baixo custo são atingidos se o projetista compreender as várias opções e 
desenhar as peças para serem utilizadas pelo processo mais apropriado e da 
maneira mais eficiente. 
 
Os vários processos diferem primeiramente no material do molde (areia, 
metal, ou outros materiais) e no método de vazamento (gravidade, vácuo, 
baixa ou alta pressão). 
 
Todos os processos partilham o requisito que o material ao solidificar 
maximiza as suas propriedades e simultaneamente previne potenciais 
defeitos, tais como macro e micro rechupes, inclusões, etc. 
Fig. 4 – Esquema da seqüência da preparação do processo de fundição 
3.0 Processo de solidificação e estrutura cristalina dos metais 
 
3.1 Diagrama de equilíbrio ferro-carbono 
 
O estudo do diagrama de equilíbrio Fe-C é importante para se entender as reações 
metalúrgicas e o aparecimento das diferentes microestruturas. 
 
O diagrama mostra quais fases e misturas de fases específicas são estáveis, 
considerando a variação de temperatura e de composição da liga à pressão de uma 
atmosfera. 
 
Conforme citado anteriormente, os ferros fundidos são ligas de ferro, carbono e silício 
portanto, o seu estudo deveria ser realizado no diagrama ternário Fe-C-Si. 
 
A análise deste diagrama permite verificar que ocorrem alterações nas linhas que 
representam o equilíbrio entre as fases e o percentual de carbono do eutético diminui 
à medida que o teor de silício aumenta. 
 
Devido à complexidade dos diagramas ternários criou-se a grandeza denominada 
carbono equivalente (CEQ), com o propósito de corrigir o teor de carbono do eutético 
devido à presença de outros elementos químicos presentes, principalmente o silício. 
Com isto, usa-se um diagrama “pseudo-binário”, conforme Fig. 5, substituindo o 
carbono pela expressão CEQ= % C + 1/3 (% Si + % P). 
Fig. 5 - Diagramas Fe-C metaestável e estável superpostos 
3.2 Células unitárias 
 
• Estados físicos da matéria: 
• Matéria – tudo aquilo que ocupa lugar no espaço, ex.: metais. 
• Sólido – agrupamentos elementares onde os átomos, moléculas e íons ocupam 
posições regulares e definidas, volume e forma constante. 
• Líquido – agrupamentos elementares onde os átomos, moléculas e íons se 
locomovem, mas encontram-se próximos uns dos outros, com volume 
constante e forma variável. 
• Gasoso – agrupamentos elementares onde os átomos, moléculas e íons, com 
grande liberdade de movimentação, encontram-se afastados uns dos outros, 
com volume e forma variável. 
• Os produtos fundidos – Originam-se de ligas metálicas no seu estado líquido, 
portanto é importante conhecer o processo de solidificação dos metais. Nele 
ocorrem a maioria dos fenômenos de transformação na estrutura do material que 
podem geram defeitos nas peças ou alterações estruturais que prejudicam o seu 
comportamento diante de determinadas solicitações. 
• Após a solidificação a eliminação de determinados defeitos gerados no processo é 
praticamente impossível. 
 
Os átomos no estado sólido ocupam posições regulares e definidas, diz-se que 
neste estado o sistema físico do material tem uma estrutura interna chamada 
estrutura cristalina. 
 
Nos metais os átomos ocupam posições que determinam sólidos geométricos 
prismáticos que recebem o nome de célula unitária. A justa posição destas 
células unitárias determina a rede cristalina. 
 
As células unitárias podem ser divididas segundo vários tipos, ex.: cúbico, cúbico 
de corpo centrado, cúbico de face centrada, hexagonal, etc. 
 
Nos metais são comumente encontrados três tipos de células unitárias, que são: 
cúbico de corpo centrado (CCC), cúbico de face centrada (CFC) e hexagonal 
compacto (HC). 
 
 
Fig. 7 – Vista esquemática e a célula unitária da estrutura cúbica de face centrada. 
Fig. 8 – Vista esquemática e a célula unitária da estrutura hexagonal compacta. 
6 
Fig. 6 – Vista esquemática e a célula unitária da estrutura cúbica de corpo centrado 
 
3.3 Cristal 
 
• todos os metais cristalizam-se quando se solidificam. Com isto queremos dizer 
que os átomos se arranjam num modelo tridimensional, ordenado e repetido. 
Esses tipos de estrutura são chamados cristais. 
• Os cristais são um conjunto de células unitárias idênticas ocupando um volume 
limitado 
• Grão 
• O grão é a seção de um cristal, isto é, é a vista frontal do plano de corte de um 
cristal. 
• Fase 
• São conjuntos homogêneos de mesma estrutura cristalina separados por uma 
interface (superfície). 
• Fases de uma liga: 
• Metal puro ou elemento livre – nesta fase encontramos um elemento da liga 
 livre na estrutura, ex.: a grafita (carbono livre) no ferro fundido. 
• Solução sólida – os elementos associam-se em diferentes proporções. 
 O elemento em menor proporção (soluto) entra em solução com o elemento de 
 maior proporção (solvente). 
 
Solução sólida substitucional – é a solução em que o átomo de soluto substitui o 
átomo de solvente na rede cristalina. Normalmente isto ocorre com átomos de 
raios atômicos aproximados (+/- 15 %). Ex.: Cu-Zn (latão), Cu-Sn (bronze). 
Fig. 9 – Solução sólida substitucional 
ordenada e aleatória 
Solução sólida intersticial – é a solução em que o átomo do soluto se coloca 
entre os átomos do solvente na rede cristalina. Para ocorrer é necessário que o 
raio atômico do soluto seja bem menor que o raio atômico do solvente para se 
alojar nos espaços vazios da matriz. Ex.: Fe-C. 
Fig. 10 – Solução sólida intersticial 
Composto quimicamente definido ou composto intermetálico – nesta fase 
os átomos associam-se em proporções fixas e composição química bem 
definida, formando assim compostos já definidos, ex.: Fe3C, Al2O3, etc. São 
duras e não dúcteis portanto são frágeis 
3.4 Processo de solidificação 
• É o responsável pela formação das primeiras estruturas sólidas no material, 
nele se evidenciam duas etapas distintas: Nucleação e o Crescimento dos 
grãos. 
 
Nucleação e crescimento 
• O resfriamento até o estado sólido não é instantâneo e alguns fenômenos 
começam a ocorrer. Primeiro há somente a redução de temperatura do metal, 
ainda no estado líquido, sem que haja a formação de outras fases. Em um 
determinado momento, no meio líquido, alguns átomos começam a disporem-
se de modo ordenado, semelhante àquela disposição encontrada nos sólidos. 
Estes agrupamentos atômicos ordenados são chamados de embriões. Estes 
embriões formam-se e se desfazem dentro do líquido constantemente. Sua vida 
depende do seu tamanho e da temperatura do líquido. Quanto maior o tamanho 
do embrião e menor a temperatura do metal líquido, maior será sua tendência a 
“sobrevivência”. A medida que a temperatura do metal líquido diminui o embrião 
pode tornar-se mais estável formando os chamados núcleos de solidificação, 
que por sua vez darão origem aos cristais da fase sólida do material. Isto é 
chamado de nucleação. 
 
Nucleação e crescimento 
• A nucleação pode ser do tipo homogênea ou heterogênea. 
 
• Nucleação homogênea – neste tipo de nucleação, também chamada de 
nucleação endógena, os núcleos que se tornam estáveis são embriões 
esporádicos formados a partir do próprio metal líquido. 
 
• Nucleação heterogênea – neste tipo de nucleação, também conhecida como 
nucleação exógena, os núcleos que se tornam estáveis podem ser resultantes 
da interferência e contribuição de substratos estranhos ao metal líquido, isto é, 
substratos resultantes de inclusões sólidas (adições, impurezas e óxidos) 
gerados durante a elaboração da liga. 
 
• Na prática, em fundição, o processo de nucleação será sempre heterogêneo, 
pois este se iniciará a partir das paredes do molde ou a partir de impurezas no 
metal líquido. As adições de ligas no metal líquido, durante a elaboração da 
mesma são de vital importância para se alcançar diferentes graus de nucleação. 
 
• O desenvolvimento espontâneo destes núcleos é chamado de crescimento. 
 
Microconstituintes do Ferro Fundido e Aço: 
 • Ferrita (ferro ): variedade alotrópica do ferro puro, contendo em solução traços 
de carbono, estável abaixo de 910ºC e se cristaliza no sistema cúbico de corpo 
centrado. Também chamada de ferro alfa. Comparada com outros constituintes, 
a ferrita é pouco dura, com dureza Brinell igual a 80. 
 
• Cementita: é conhecido o carboneto de ferro, Fe3C (contendo 6,67% de C), 
constituinte extremamente duro e quebradiço e que aparece no ferro fundido 
isoladamente ou em camadas alternadas com ferrita, formando a perlita, no 
primeiro caso, em quantidade predominante, da origem ao ferro fundido branco 
no qual é o constituinte principal, no segundo caso forma a matriz básica do 
chamado ferro fundido cinzento. 
 
• Perlita: é uma mistura mecânica de 11,5% de cementita e 88,5% de ferrita, na 
forma de laminas finas dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da 
perlita são intermediárias entre as da ferrita e da cementita. 
 
• Grafita: ao contrário dos três constituintes anteriormente citados, também 
encontrados nos aços comuns, este é tipicamente característico dos ferros 
fundidos. É formada, praticamente, por carbono puro disposto em camadas, 
podendo assumir diferentes formas, disposições e tamanhos. Apresenta baixa 
resistência mecânica e dureza entre 1 e 2 Mohs. 
 
Referências bibliográficas 
 
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GARCIA, Amauri; SPIM, Jaime Alvares& SANTOS, Carlos Alexandre dos. 
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GANIVET, Marcel. INICIAÇÃO À FUNDIÇÃO. CETEC Itaúna 2004. 
 
FONSECA, Marco Túlio da. METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS 
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BRANCO, Castelo. METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E 
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FONSECA, Marco Túlio da & ABREU, Alírio Gerson da Silva. ALIMENTAÇÃO E 
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CETEC Itaúna 2003.