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SEMINÁRIO DE MATERIAIS INDUSTRIAIS Introdução a Metalurgia; processamento em alto-forno, obtenção do ferro gusa. Obtenção do ferro fundido e suas propriedades mecânicas e aplicações; processo de fabricação do aço, suas propriedades e aplicações. Características das ligas de aço, metalografia da estrutura do aço. Tratamentos térmicos, termofísicos e isotérmicos dos aços. Tratamento térmico de têmpera em aços, suas características e aplicações. Nathália Cavadas Maria Gabriela Domingues UNIFATEA - 3º P de DESIGN 2018 Introdução a Metalurgia A metalurgia é a ciência que estuda a extração, transformação e aplicação de materiais metálicos, como ferro (Fe), o ouro (Au), prata (Ag) e o bronze (Cu-Sn). O ferro é o metal mais produzido pelo homem, respondendo por mais de 90% da produção em escala global em massa de metais. A metalurgia pode ser dividida em três classes: Metalurgia Extrativa Extração e beneficiamento de metais; Metalurgia Física Fundamentos dos fenômenos metalúrgicos; Metalurgia de Transformação Processos de Fabricação de Produtos/Componentes Metálicos; Metalurgia Extrativa Há diversas divisões para o estudo como: Processos pré-extrativos Extração e beneficiamento de minérios Processos Extrativos Obtenção de materiais metálicos (elementares) a partir dos seus respectivos minérios Processos de Refino Obtenção de ligas com composição definidas Exemplo de aplicação do Processo Extrativo 1ª etapa - Extração: redução dos minérios de Fe em Alto Forno. Alto forno: Sistema de fornalha para fundir minérios de ferro para produzir ferro gusa. A conversão dos óxidos de ferro em ferro metálico é um processo redutor no qual os agentes redutores são monóxido de carbono e o hidrogênio. O alto forno é o primeiro estágio na produção de aço e partir dos óxidos de ferro. Atualmente um alto forno produz cerca de 13000 toneladas de ferro gusa por dia. Sobre Ferro Gusa Composição do Ferro gusa: 4,5% de Carbono 0,4% Silício 0,3% Manganês 0,1% Fósforo 0,03% Enxofre Etapas da produção do ferro gusa: 1º Passo: Extração do minério de ferro; 2º Passo: Mistura do minério de ferro com o coque e óxido de cálcio (ou óxido de magnésio); 3º Passo: Injeção de ar preaquecido. O gás oxigênio do ar reage com o carvão e produz o monóxido de carbono (CO), que é o agente redutor do processo de produção do ferro gusa; C + O2 → CO(g) 4º Passo: O calor do ar quente e da combustão do carvão realizam a fusão do minério de ferro; 5º Passo: Ocorre a reação química entre o monóxido de carbono e o óxido de ferro (como a hematita), formando o ferro metálico (Fe) fundido, isto é, o ferro gusa, além de elementos como carbono, enxofre, manganês, etc. Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2 Obs: Existem empresas siderúrgicas produtoras do ferro gusa que, ao produzi-lo, já produzem em seguida o aço a partir dele. A produção o ferro gusa é extremamente importante econômica e industrialmente, porém sua realização principalmente em altos fornos, leva aos seguintes danos ambientais: Intenso desmatamento para produção de carvão; Aumento da emissão de dióxido de carbono no ar atmosférico; Emissão de óxidos de enxofre na atmosfera; Emissão de poluentes orgânicos de potencial cancerígeno. Ferro Fundido Se tornou um metal popular, largamente aplicado na produção industrial graças ao baixo custo e sua vasta gama de propriedades mecânicas desejáveis, como: A boa fundibilidade; Propriedade de usinagem conveniente; Melhor resistência ao desgaste. Em busca dmelhorar as propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares utiliza-se a técnica de adição de elementos de ligas. Existem alguns tipos de ferro fundido: Ferro Fundido CINZENTO (Gray iron) Ferro Fundido DÚCTIL ou Nodular (Spheroidal iron) Ferro Fundido BRANCO (White iron) Ferro Fundido MALEÁVEL (Malleable iron) Ferro Fundido VERMICULAR (Vermicular iron) Obs: Cada um destes tipos possuem características particulares pois os processamentos são distintos. Processo de Metalurgia Extrativa 2ª etapa - Refino: fabricação de aço em conversores. Para entender melhor a metalurgia é necessário compreender que: Material Processamento Produto Resumindo de forma rústica este processo podemos entender da seguinte forma: Naturalmente os minérios não são puros, pois são as junções de diversos materiais. O processo mais comum para obtenção dos aços envolve a redução do minério de ferro pelo monóxido de carbono, em alto forno. Ao final do processo, elementos de liga e desoxidantes podem ser adicionados e operações complementares de refino realizadas para ajustar a composição final do material. Após sua solidificação, obtém-se um lingote, ou placa, que é submetido a um conjunto de operações visando a obtenção de um produto final com forma desejada. Metalurgia Física Os tratamentos térmicos e mecânicos aplicados a um produto intermediário não visam apenas obtenção de uma peça final de formato e dimensão desejada. Metalurgia física dos Aços: Aço acalmado: nele não se forma nenhuma quantidade de gás. Aço semi-acalmado: nele evolui uma quantidade reduzida de gases, mas suficiente para compensar totalmente a contração de volume devida à solidificação. Aço capeado: evolução de gás no início da solidificação foi muito intensa, mas sua intensidade foi reduzida tapando-se a lingoteira e aumentando-se assim a pressão ferrostática. Aço efervescente: reação de efervescência intensa e livremente e sua contração e a sua contração de volume devida à solidificação foi compensada pela formação de bolhas. Superficialmente o lingote apresenta uma camada muito pura, entretanto o seu centro é caracterizado pela segregação mais intensa de elementos como o carbono, fósforo e enxofre. Propriedades destaque do Aço: Plasticidade Ductilidade Resiliência Fluência Fadiga Dureza Elasticidade Metalurgia de Transformação metalurgia de transformação estuda os processos mecânicos e metalúrgicos de fabricação. Os processos mecânicos de fabricação utilizam tensões para as transformações de forma necessárias para a obtenção de um determinado produto. Produtos estes que são classificados em função da magnitude das tensões utilizadas. Ferros e Aços O teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas dos aços. Maior o teor de carbono no metal maior é sua dureza. Os elementos de liga são outros elementos, além do ferro e do carbono. Elementos de liga mais populares: Alumínio (Al) Chumbo (Pb) Cobalto (Co) Cromo (Cr) Enxofre (S) Fósforo (P) Manganês (Mn) Entre outros... Tratamentos térmicos Têm o objetivo de proporcionar alterações de propriedades mecânicas, térmicas, químicas, elétricas ou magnéticas para atender os processos de fabricação ou as especificações finais do produto. Tratamentos térmicos visão: Remover tensões internas Aumentar ou diminuir a dureza Aumentar a resistência mecânica Melhorar a ductilidade Melhorar a usinabilidade Pra quê? Melhorar resistência ao desgaste Melhorar as propriedades de corte Melhorar a resistência à corrosão Melhorar a resistência ao calor Modificar as propriedades elétricas e magnéticas Tratamentos térmicos Os principais tipos de tratamento térmicos são: recozimento, normalização, têmpera. Recozimento: Aquecer o metal Normalização: Resfriamento pelo ar. Tempera: consiste no resfriamento rápido do aço em um meio como óleo, água, salmoura ou mesmo ar. Resfriamento na têmpera: Dois fatores influenciam a velocidade com a qual as diferentes posições na peça resfriam: • Velocidade de extração do calor na superfície da peça: é função do meio de têmpera selecionado. • Transmissão de calor por condução dentro da peça: é influenciada pela geometria da peça: dimensões e forma. Em função disso podem se formar diferentes microestruturas na superfície e no interior da peças. Tratamentos termoquímicos: Os tratamentos termoquímicos têm por objetivo alterar as propriedadessuperficiais do aço. Ex: cementação, nitretação e carbonitretação Por fim A metalurgia possui diversos assuntos e aspectos interessantes para estudo. Infelizmente, apenas um seminário não é capaz de abranger todo o conteúdo. Obrigada...
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