Metais CMAT

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Ciência dos Materiais 
Metais 
 
 
 
Processos de Obtenção 
 Principais Fontes de Minérios 
 
 
• Reciclagem de resíduos e sucatas 
Extração e refino do minério – Fe2O3 
 
Processo de obtenção das ligas 
Ferrosas 
 Ferro Gusa : é a liga de ferro que contém 2 a 5%, além 
de impurezas como Si, Mn, S, P, Ti 
Ferro Aço: C (até 2,14%) 
Ferro Puro: C (menos que 0,02%) 
Ferro Fundido: é a liga de ferro com 2 a 4% de carbono, e 
quantidades de impurezas menores que o gusa - 
concentrações de Si (0,3-0,9%), Mn (0,5%), S (0,025% -
0,05%), P, Ti. 
O processo de refino do ferro e a composição de suas ligas recebe o 
nome especial de siderurgia. Os principais produtos siderúrgicos 
são: 
Equipamento: Alto-forno (1600ºC) 
O principal objetivo é obter o ferro livre de oxigênio e reduzir o teor de carbono e demais impurezas. No alto –forno são 
adicionadas as seguintes matérias-primas. 
 Minério – hematita (Fe2O3) 
 Calcário (CaCO3) – reduz o ponto de fusão do ferro (fundente) e reage com impurezas (ganga) presentes como a SiO2 
e o silicatos de difícil fusão. O metassilicato de cálcio (CaSiO3) denominado de escória que é formado nesse processo 
é retirado pela parte inferior do forno. 
 Coque (C) – carvão com 90% de pureza, usado para promover a redução do ferro 
 Oxigênio (O2) – necessário para a combustão do coque. 
 Principais minérios de ferro 
são: Hematita (Fe2O3), 
Limonita (Fe2O3.2 H2O), 
Magnetita (Fe3O4). 
 
 
 
 
 
 
Obtenção - Ferro Gusa e 
o Ferro Fundido 
Obtenção do Fe – Síntese (redução) 
CaCO3 
CaO + CO2 (g) 
CaO + SiO2 
CaSiO3(s) 
O calcário decompõe-se pela ação do calor em óxido de cálcio e gás carbônico. O óxido de 
cálcio reage com óxido de silício, impurezas (ganga) presentes no minério, produzindo o 
metassilicato de cálcio (escória) 
(Escória) 
C(s) + O2 CO2 (g) 
CO2 (g) + C (s) 2CO 
Fe2O3 (s) + 3CO(g) 2 Fe + 3 CO2 (g) 
(Ferro-gusa) 
Escória subproduto é usada na fabricação de adubos, cimentos e pedras para pavimentação. 
Inicialmente, o coque em presença de excesso de oxigênio, produz gás carbônico (CO2). O 
coque que é constantemente adicionado reage, produzindo o monóxido de carbono (CO). 
Finalmente, o ferro da hematita é reduzido pelo monóxido de carbono. 
(Hematita) 
Alto-Forno – Síntese (processo de redução) 
 Em intervalos, o ferro e a escória fundidos, acumulados no ponto mais baixo do alto-forno, são 
retirados, levando-se o ferro em estado de fusão para o forno elétrico (conversor) ou lançado em formas 
para se solidificar em lingotes de ferro gusa ou ferro fundido. A escória, menos densa que o ferro, é 
removida posteriormente. 
Equipamento: Conversor ou forno elétrico 
 
O Conversor a Oxigênio ou Processo 
Linz-Donawitz ou LD é o processo mais 
comum para a produção de aço. Nos 
conversores a oxigênio são fabricados 
mais de 50% da produção mundial 
de aço. No Brasil eles também são 
amplamente utilizados. 
 
O refinamento do ferro fundido em aço, 
consiste em remover o excesso de 
carbono e diminuir a quantidade de 
impurezas para limites prefixados. 
 
A carga é constituída de ferro 
gusa líquido, sucata de ferro, minério 
de ferro e aditivos (fundentes). A 
concentração de Gusa líquido varia entre 
70-85%. 
Obtenção – Ferro Aço 
Carregamento do Gusa líquido 
O conversor de oxigênio baseia-se 
na injeção de oxigênio dentro da 
massa líquida de ferro fundido. 
Com uma lança refrigerada 
com água, injeta-se oxigênio puro 
a uma pressão de 4 a 12 bar no 
conversor. O ar injetado queima o 
carbono na forma de: 
 
monóxido de carbono (CO) dióxido 
de carbono (CO₂); 
 
o processo dura aproximadamente 
20 minutos, até que o carbono 
chega aos limites adequados ao 
aço. 
Etapas do Processo produtivo do Ferro e suas ligas 
 Redução: ocorre em alto-forno - obtenção do ferro- gusa ou ferro fundido 
 
 Refino: ocorre em conversor - a produção do aço. 
 
 Conformação ou Processamento: obtenção de chapas grossas e finas, 
bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc. 
 
Classificação das Usinas de aço: 
Integradas - que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação; 
 
Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro 
gusa, ferro-esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço e 
posterior laminação; 
 
Não integradas - que operam apenas uma fase do processo: redução ou laminação. No 
primeiro caso estão os produtores de ferro gusa, os chamados guseiros, que têm como 
característica comum o emprego de carvão vegetal em altos fornos para redução do minério. 
No segundo, estão os relaminadores, geralmente de placas e tarugos, adquiridos de usinas 
integradas ou semi-integradas e os que relaminam material. 
Processamento ou 
Fabricação de peças 
metálicas 
 
Classificação das técnicas de fabricação; 
 Conformação de metais 
 Fundição 
 Metalurgia do pó 
 Soldagem 
 
Fatores que influenciam a escolha da técnica de fabricação: 
 
 Propriedades mecânicas (tenacidade ou ductilidade) do metal; 
 Tamanho e a forma da peça acabada; 
 Custo 
 
 
Conformação ou Processamento são 
aquelas onde a forma da peça é alterada por deformação 
plástica, ou seja, uma deformação irreversível. 
 
Trabalho à frio ou encruamento - produz um aumento na resistência 
com diminuição na ductilidade. 
Vantagens: 
Melhor qualidade do acabamento,; 
Melhora nas propriedades mecânicas; 
Controle dimensional mais preciso da peça acabada (retração). 
 
Desvantagem: tem sua ductilidade reduzida. Formação de tensões 
residuais, que permanecem no material mesmo após as tensões 
externas serem removidas. Essas tensões podem afetar a condutividade 
e a resistência à corrosão. 
 
Técnicas utilizadas são: forjamento, laminação, extrusão e 
trefilação. 
 
 
Conformação 
 
Trabalho à quente – a deformação é obtida em temperatura acima 
da recristalização do metal. 
 
Vantagens: São possíveis grandes deformações 
 
Desvantagens: 
O metal sofre algum tipo de oxidação superficial, o que resulta 
em um acabamento de superfície ruim. 
 
Técnicas utilizadas são: Fundição, metalurgia do pó e soldagem. 
 
 
 
Forjamento deforma o material em uma cavidade 
de matriz, produzindo formas complexas. 
Laminação ocorre a passagem de uma peça metálica 
entre dois rolos. 
Extrusão o material é comprimido por um pistão em 
uma matriz para formar produtos de seções transversais 
uniformes (perfilados). 
 
Trefilação material é forçado por um orifício cônico, 
mediante uma força de tração aplicada na saída do 
material. Tem-se uma redução na área transversal, com 
um aumento correspondente no comprimento da peça. 
Fundição o material totalmente fundido é derramado 
na cavidade de um molde. Com a solidificação, o metal 
assume a forma do molde, mas sofre alguma contração. 
Emprego: 
 
• Quando a forma acabada é 
grande ou complicada; 
• Quando uma liga específica 
possui uma ductilidade tão 
baixa que a conformação seria 
difícil; 
• Mais econômico. 
 
Metalurgia do pó 
 
Etapas: 
 compactação de pós metálicos; 
 
 seguida por tratamento térmico 
para produzir uma peça metálica 
mais densa. 
 
Emprego: 
 
• Metais que possuem baixa 
ductilidade; 
 
• Metais com ponto de fusão 
elevado; 
 
• Peças com tolerâncias 
dimensionais restritas (buchas, 
engrenagens) 
 Soldagem consiste na união deduas ou mais peças serem unidas 
para formar uma peça única, quando a fabricação da peça em uma única 
parte é de custo elevado ou incoveniente. 
Durante a soldagem, as peças a serem unidas e o material de enchimento (eletrodo de 
solda), são aquecido até que ambos se fundam. 
Com a solidificação, o material de enchimento forma uma junção fundida. 
Na região adjacente à solda, ocorre variações microestruturais e nas propriedades – zona 
termicamente afetada (ZTA). 
Desvantagens: formação de tensões residuais na região 
ZTA, as quais enfraquecem a junção, nos aços inoxidáveis 
podem se tornar suscetíveis a corrosão. 
Soldagem a laser (Laser beam welding - LBW) é uma 
técnica de soldagem utilizada para unir vários tipos de peças de metal por meio do 
uso de um feixe de laser (fluxo de argônio). 
 
O feixe fornece uma fonte de calor concentrada, permitindo, soldas profundas com 
alta qualidade, resistentes e precisas em uma variedade de materiais em simetria 
XY e cilíndricos. 
 
O processo é frequentemente usado produção de larga escala, como na indústria 
automotiva e eletrônica. 
 
Vantagens: 
 
Pode ser automatizada; 
O tamanho da zona termicamente afetada é mínimo; 
Uma grande variedade de metais e ligas podem ser unida utilizando-se 
essa técnica; 
È possível a obtenção de soldas sem porosidade com resistências 
iguais ou superiores àquelas do metal base. 
 
Capítulos do Callister tratados nesta aula: 
– Capítulo 11, 278-282, 7ª edição 
 
Leitura complementar: 
Shackelford J.F., Ciências dos Materiais – 6ª edição – 
capítulo 11. 
 
Textos: 
Obtenção do aço 
 Processos extrativos e siderúrgicos 
 
 
Video You Tube – visitar: 
 
Obtenção do aço – discovery 
 
http://www.youtube.com/watch?v=rOWI1KofSUM