Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA BACHARELADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO DISCIPLINA DE TECNOLOGIA DOS MATERIAIS ATIVIDADE PRÁTICA DE SELEÇÃO DE MATERIAIS Trabalho orientado pelo Professor Marcos Baroncini Proença como parte da avaliação da Disciplina de Tecnologia dos Materiais ADERSON DA COSTA TAVARES RU 2815071 GOIANÉSIA – GOIÁS 2020 2 Sumário 1. Introdução ................................................................................................ 3 2. Especificações Técnicas do Produto ....................................................... 4 3. Material metálico ..................................................................................... 5 4. Tipos de Aços Inoxidáveis ....................................................................... 7 a. Austeníticos ........................................................................................... 7 b. Ferríticos .................................................................................................. 8 c. Martensiticos .......................................................................................... 9 d. Duplex ................................................................................................... 10 5. Endurecíveis por precipitação ............................................................... 12 6. Material Polímero .................................................................................. 13 7. Material Cerâmico.................................................................................. 15 8. Proposta para Troca de Materiais ......................................................... 19 9. Bibliografia ............................................................................................. 21 3 1. Introdução Para análise dos materiais, vamos utilizar o fogão doméstico como base de análise, tendo em vista que o mesmo apresenta componentes metálicos, polímeros plásticos e peças cerâmicas. Sabendo que o objeto mencionado é de uso contínuo e diário na maior parte das famílias de nosso país, a análise que se dará adiante, tem como objetivo verificar os materiais utilizados em todos os componentes do item(fogão) e classificar suas características, resistências, assim sendo possível ao leitor avaliar o material e entender sua composição. O fogão utilizado na análise é de fabricação Atlas Havana eletrodomésticos modelo “HAVANA” - 5 bocas inox, composto por um forno a gás e/ou um forno elétrico, 5 “Botões” de polímero plástico, vidro na composição da mesa e nas portas dos fornos. Figura 1 - Fogão 5 bocas Atlas Havana 4 2. Especificações Técnicas do Produto Figura 2 - Especificação Fogões Havana 5 3. Material metálico Foi selecionado para análise nesse trabalho o aço inox, que compõe toda a carcaça do fogão, além dos painéis de estufa do forno. É importante ressaltar que a utilização do INOX tem sua escolha mais afetada pela parte estética do produto, visando, entretanto, propriedades mecânicas melhores do que outros tipos de aços utilizados em fogões mais baratos. A utilização do aço inox encarece o produto, pois aumenta de forma visível a sua estética e embelezamento, sendo um produto mais visado do que com um aço menos trabalho. O termo “aço inoxidável” abrange muitas composições padrão e ligas especiais feitas para certas aplicações. Aços inoxidáveis variam em sua composição desde ligas de ferro relativamente simples com cerca de 11-12% de Cromo, há ligas complexas que incluem até mais de 25% de Cromo, com quantidades substanciais de Níquel, Molibdênio e outros elementos de liga. O que os aços inoxidáveis oferecem Resistência à corrosão, manchas, ferrugem e pits*. Resistência à oxidação até 700°C e, em alguns casos, acima de 1000°C. Limites elásticos variando de 200 N/mm2 até acima de 1500 N/mm2. Resistência ao impacto e tenacidade em temperaturas criogênicas. Pode ser fundido, forjado, usinado, polido e ligado através de técnicas de soldagem. Longa duração, aparência atraente. Porque é inoxidável? Na presença de oxigênio ou atmosfera oxidante, o Cromo forma rapidamente uma película de óxido (passivo) sobre a superfície exposta, a qual, então, atua como uma barreira e inibe futuras oxidações ou corrosões. Deve-se observar que em atmosferas redutoras ou na ausência total de oxigênio, as propriedades de resistência dos aços inoxidáveis à corrosão ficam seriamente prejudicadas. *Pits – são pequenos buracos originados por corrosão superficial. Embora os aços inoxidáveis sejam amplamente usados na indústria moderna, eles foram, na verdade, desenvolvidos muito recentemente, datando de 1920 as primeiras aplicações industriais. O desenvolvimento e subsequente fabricação dos aços inoxidáveis transformaram completamente a grande, embora frágil, fábrica de produtos químicos. Modernizaram-se de forma que essa fábrica sofresse uma revolução e isto tornou possível produzir industrialmente ácidos puros. Os aços inoxidáveis permitiram um grande progresso na produção de fertilizantes, e em particular o plástico. A resistência à corrosão que os aços 6 inoxidáveis têm é devida, principalmente, às suas propriedades auto protetoras e neutralidade química. Conhece-se um grande número de metais que sofrem várias modificações no estado de suas superfícies quando expostos a reagentes químicos diferentes. Os exemplos clássicos são os seguintes: FERRO – Fica inerte (neutro) rapidamente em ácido nítrico concentrado, em soluções neutras ou ácidas de nitratos, cromatos, bi-cromatos, permanganatos, etc. Esta neutralidade química não é uma propriedade permanente como no caso de metais nobres ou preciosos, e pode desaparecer rapidamente, em função do meio que o circunda e, em particular, sob a ação de halogênios (íons de C1). NÍQUEL – Comporta-se de forma similar a do ferro, mas sua inércia é menos estável. Interesse prático como um metal e nas ligas nas quais é usado. Sob este ponto de vista, ele tem as propriedades de um metal nobre. Estes três metais formam a base de produção do aço inoxidável, no qual o ferro ligado com cromo oferece considerável propriedade de resistência à oxidação quando seu conteúdo alcança 11-12% de Cromo. Os diagramas abaixo indicam os diferentes potenciais elétricos das ligas de ferro-cromo de acordo com seus aumentos de conteúdo de cromo. Veja que a partir de 12% de Cr, o potencial aumenta abruptamente. Costuma- se explicar que esta propriedade é devida à formação de uma camada impermeável e insolúvel de óxido de cromo na superfície do metal. Figura 3 – Gráfico 1 Deve-se notar que a formação desta camada de óxido de cromo não pode se realizar na ausência de oxigênio. Por isso, em meio redutor (metais alcalinos, lítio, sódio, potássio, etc., e as terras alcalinas, berilo, magnésio, cálcio, etc.) estas propriedades de resistência à corrosão desaparecem. 7 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA RESISTÊNCIA DO AÇO INOXIDÁVEL À CORROSÃO/OXIDAÇÃO DE ACORDO COM O TEOR DE CROMO Figura 4 - Gráfico 2 4. TIPOS DE AÇOS INOXIDÁVEIS a. Classificação Os aços inoxidáveis são regulamentados por várias associações internacionais, por exemplo: AISI – American Iron & Steel Institute ISO – International Standards Organization DIN – Deutsche Industrie Norm Fora estas especificações, alguns fabricantes de aço fornecem tipos adaptados a aplicações especiais e as quais não estejam em conformidade com nenhuma especificação nacional ou internacional. Todos os aços inoxidáveis, entretanto, independentemente das especificações, podem ser convenientemente classificadosem três grupos principais que representam três tipos distintos de estruturas metalúrgicas. Estes grupos, em ordem crescente de conteúdo de liga são: a. Austeníticos b. Ferríticos c. Martensiticos d. Austeno-Ferrítico a. Aços inoxidáveis austeníticos Estes são os aços inoxidáveis mais comunentes usados. Normalmente eles têm composições que contém cromo suficiente para oferecer resistência à corrosão (18% Cr) junto com níquel (8% Ni) para assegurar uma estrutura austenítica estável em temperatura ambiente. Os teores de Cromo e Níquel podem ser aumentados, e elementos adicionais (normalmente molibdênio) podem ser acrescentados para melhorar a resistência à corrosão e a formação de “pits”. Embora estas ligas não possam ser endurecidas por tratamentos térmicos, elas são particularmente afetadas por endurecimento em trabalho. Certos aços inoxidáveis austeníticos, quando aquecidos numa faixa de 500°C a 800°C e esfriados lentamente, tornam-se 8 suscetíveis de corrosão intergranular. O resfriamento lento permite a precipitação dos carbonetos ricos em cromo nos contornos dos grãos o que deixa as áreas adjacentes empobrecidas de cromo. A precipitação ocorre mais rapidamente, quanto mais alto for o conteúdo de carbono do aço. Estas áreas tornam-se locais anódicos em ambientes ácidos e resulta em corrosão preferencial ao longo dos contornos dos grãos. A ampla tolerância térmica da classe dos austeníticos tornou-os adequados as aplicações em baixas temperaturas, as aplicações em depósitos de gás líquido, assim como para fornos de altas temperaturas e trocadores de calor. Os aços austeníticos são não-magnéticos e tem coeficientes de expansão 50% maior do que o do aço carbono e uma condutividade térmica de apenas um terço. SUMÁRIO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS Os mais comumente usados Excelente resistência à corrosão Endurecem em trabalho Sujeito a trincas a quente e precipitação de carbonetos Normalmente não são necessários nem pré e pós-aquecimento Não magnéticos Figura 5 - Aços série 300 b. Aços inoxidáveis ferríticos Como a estrutura dos cristais destes aços são idênticas a do ferro (ferrita) à temperatura ambiente, o nome FERRÍTICO é usado para classificar este grupo. Aços inoxidáveis ferríticos contêm normalmente entre 15% e 30% de Cromo com teores de Carbono abaixo de 0,2%. Sua estrutura estável é mantida até 9 em temperaturas de fusão e, por isso, o endurecimento por resfriamento não é possível. O trabalho a frio reduz a ductibilidade, a qual necessita de cuidados no recozimento intermediário que evita crescimento de grãos e subseqüente grafitização. Os aços inoxidáveis ferríticos são geralmente, mais resistentes à corrosão do que os do grupo Martensiticos e podem ser usados em contato com ácido sulfúrico, ácidos orgânicos, tais como fórmico, cítrico, láctico, oxálico, etc. e ambientes com água do mar. Estes aços são fortemente magnéticos até a sua temperatura Curie de cerca de 760°C e tem um coeficiente de expansão similar a dos aços baixo carbono. Sua condutividade térmica é aproximadamente 50% dos aços baixa carbono. SUMÁRIO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS Cromo (15-30%) Boa resistência à corrosão Sujeito a crescimento de grãos É recomendado um recozimento posterior à solda Magnético Figura 6 - Aços inoxidáveis Ferríticos c. Aços inoxidáveis martensíticos Exatamente como as ligas de ferro-carbono são tratáveis termicamente, então as ligas de ferro, cromo e carbono podem ser temperadas para se obter dureza máxima e posteriormente revenidas para melhorar a ductibilidade. Aços inoxidáveis Martensiticos, que normalmente contém entre 12-17% de Cromo e 0,08-0,75% de Carbono, tem grande temperabilidade; espessuras substanciais endurecerão durante o resfriamento ao ar ou no óleo. A dureza real em determinada condição de resfriamento dependerá do teor de carbono que, se for maior que 0,2%, produz baixos valores de ductibilidade. Para melhorar a ductibilidade, o aço pode ser revenido, o que por outro lado, tem o efeito de reduzir ligeiramente sua resistência à corrosão. Aços inoxidáveis Martensiticos tem resistência à corrosão apenas moderada em atmosferas industriais poluídas e ambientes de águas do mar, mas, ao 10 contrário de outros grupos, eles podem sem endurecidos por tratamentos térmicos. Assim, eles são particularmente, adequados para ferramentas de corte, lâminas correntes, instrumentos, molas e prendedores. Estes aços são fortemente magnéticos e tem um coeficiente de expansão similar ao dos aços baixo carbono. SUMÁRIO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS Cromo (12-17%) Resistência moderada à corrosão Endurecimento ao ar (têmpera) Recomenda-se pré-aquecimento e recozimento após soldagem Figura 7- Aços inoxidáveis Martensiticos d. Aço inoxidável austeno-ferrítico – duplex Os aços inoxidáveis duplex são ligas metálicas a base de ferro-carbono, portanto denominadas aços, que contém um teor mínimo de 12% de Cromo, portanto consideradas inoxidáveis, e que se apresentam duas fases principais em sua microestrutura, em quantidades aproximadamente iguais (50%-50%) por isso recebem o nome de duplex. Normalmente, essas duas fases são a ferrita e a austenita, levando alguns autores a utilizar nomenclaturas do tipo “ligas ferríticas-austeníticas”. Alguns deles podem ainda ser classificados como 11 super duplex. Isso ocorre quando ocorre o valor do índice PRE (Pitting Resistance Equivalent) é superior a 40. Este índice é normalmente utilizado para comparar a resistência à corrosão por pits de diferentes materiais. Aquele que apresenta maior valor de PRE certamente possui maior resistência à este tipo de corrosão. Para calcular esse índice, deve-se conhecer a composição. Química do aço e utilizar a equação abaixo. PRE = (%Cr) + 3,3.(% Mo) + 16. (N) É importante ressaltar que esses aços podem conter outros elementos de liga, com finalidades específicas, tais como o molibdênio, o nitrogênio, o cobre e o tungstênio. SUMÁRIO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENO-FERRÍTICOS – DUPLEX Cromo (18-20%) Excelente resistência à corrosão Excelentes propriedades mecânicas Não recomendado pré-aquecimento Magnético Figura 8- Aços Duplex fundidos 12 5. Endurecíveis por precipitação Pertencem a esta família os aços 17 e 520B, que podem ser tratados termicamente para oferecer boa tenacidade e ductilidade. Os aços Endurecíveis por precipitação (PH) têm boa ductilidade e tenacidade, dependendo do tratamento térmico. Sua resistência à corrosão é comparável ao aço austeníticos 304 (1.4301). Podem ser soldados mais facilmente que os aços Martensiticos comuns. Figura 9 - Aços inox Endurecíveis 13 6. Material polimérico. I. Análise feita para os plásticos empregados. Os itens plásticos que fazem parte do fogão são os materiais poliméricos que serão abordados nessa análise. Eles são encontrados nos pés do fogão, nos “Botões” e suportes para portas dos fornos. “O plástico tem seu nome originário do grego plástikos que significa “capaz de ser moldado”. É um material de origem natural ou sintética, obtido a partir dos derivados de petróleo, de reciclagem e de fontes naturais, como a seiva de árvores. Os plásticos fazem parte da família dos polímeros, que são macromoléculas caracterizadas pela repetição múltipla de uma ou mais unidades químicas simples: os monômeros, sendo unidas entre si por reações de polimerização. Hoje o mercado brasileiro está dividido em função da aplicação do plástico pelo tipo de resina. Ele é um dos responsáveis pela a empregabilidade, principalmente das pequenas e microempresas.” Os plásticos se dividem: • Termoplásticos: possuem cadeia linear ou ramificada e secaracterizam por terem baixo ponto de fusão e por poderem ser fundidos e solidificados diversas vezes, o que permite sua reciclagem; • Termofixos ou termorrígidos: possuem cadeia em rede e são geralmente líquidos, após solidificarem não permitem uma nova fundição, dificultando sua reciclagem. Destacam-se os seguintes tipos de plásticos: a. Polietileno É termoplástico, polímero parcialmente cristalino, é bem flexível, inerte face a maioria dos produtos químicos, possuí excelentes propriedades elétricas , grande resistência a impacto, alta flexibilidade, boa conformabilidade, estabilidade térmica e química, são algumas características de destaque do Polietileno. O polietileno se divide em: PEBDL (Polietileno de baixa densidade e cadeia linear): Tem boa flexibilidade e tenacidade, boa resistência à tração e ao rasgo, sendo translúcido e transparente. Usado em filmes, sacolas, peças rotomoldadas em geral, caixas de água e outros. PEMD (Polietileno de média Densidade): Excelente resistência química e é mais rígido que o anterior. Usado pra fabricação de tubulações de circulação de água e gás. PEAD (Polietileno de alta densidade): Alta resistência química e a corrosão, alta resistência a abrasão, resistência a fadiga e à fratura, além de boa dureza. Usado para fabricação de baldes, tubos, tampas, bombonas, potes, frascos e outros. 14 PEUAPM (Polietileno de ultra peso molecular): Alta resistência à abrasão, à fadiga e a fratura, é duro, com excelente resistência química e a corrosão, sendo também auto lubrificante. Usado para perfis, engrenagens, revestimentos, bombas, gaxetas, mancais e outros. Figura 10 - Polietileno b. Polipropileno É um polietileno melhorado em relação à resistência mecânica, possuí boa resistência elétrica, não absorve umidade, é leve e rígido, boa resistência química, possuí limitada resistência térmica à abrasão, sofre degradação por ação UV e de agentes oxidantes. c. Poliuretano Poliuretano é um polímero produzido pela reação de poliadição de um isocianato (di ou polifuncional) com um poliol e outros reagentes como: agentes de cura ou extensores de cadeia. Neste polímero o uretano é a molécula que se repete, sendo que sua estrutura é composta por quatro tipos de átomos (dois oxigênios, um nitrogênio, um carbono e um hidrogênio) distribuídos de certa forma. Sua estrutura pode ser cristalina ou amorfa. 15 Figura 11 - Ligação Química Propriedades do material: Menor peso, menos ruído, menor custo de fabricação, resistência à corrosão, resistência a abrasão, resistência ao corte e ao rasgo, resistência a óleo, resistência a grandes carregamentos, grande variedade de durezas, pode ser fundido, resistente a ozônio e resistente à micro-organismos. 7. Material Cerâmico Cerâmica pode ser definida como sendo um sólido formado com aplicação de calor ou calor + pressão contendo: Pelo menos 1 metal e 1 não metal Pelo menos 2 elementos sólidos não metálicos Pelo menos 2 elementos sólidos não metálicos. As cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. 16 Figura 12 - Material Cerâmico a. Vidro O vidro é uma substância sólida e amorfa, que apresenta temperatura de transição vítrea. No dia a dia o termo se refere a um material cerâmico transparente geralmente obtido com o resfriamento de uma massa líquida à base de sílica. Em sua forma pura, o vidro é um óxido metálico super-resfriado, transparente, de elevada dureza, essencialmente inerte e biologicamente inativo, que pode ser fabricado com superfícies muito lisas e impermeáveis. Estas propriedades desejáveis conduzem a um grande número de aplicações. No entanto, o vidro geralmente é frágil, quebra - se com facilidade. O vidro comum se obtém por fusão em torno de 125 0 °C de dióxido de silício, (SiO2), carbonato de sódio (Na2CO 3) e carbonato de cálcio (CaCO3). 17 Figura 12 – Ligação dos vidros “Propriedades – são geralmente transparentes (apesar de haver alguns opacos), inertes a ácidos e bases; são impermeáveis aos gases e aos líquidos e parcialmente permeáveis às radiações do espectro solar (ultravioleta e infravermelho). Vidro boro-silicato: Termorresistente, ou seja, resistente ao fogo. Vidro sódio-cálcico: Maior resistência mecânica. Vidro do tipo cristal: É menos resistente, porém tem mais brilho. 18 Figura 14 - Propriedades Físicas 19 8. Proposta de troca de materiais A proposta analisada refere-se aos polímeros plásticos utilizados na composição do fogão. A ideia inicial é a troca das peças plásticas de: - Poliuretano - Polipropileno - Polietileno Por um polímero plástico em comum a todos os componentes (botões, pés, apoios para os fornos) que seria o Policarbonato. O policarbonato é um poliéster linear obtido através da reação entre o Bisfenol A (ou Difenilol Propano) e o gás fosgênio. Sua principal característica é a alta transparência, mesmo com espessuras consideráveis, que combinada com a alta resistência ao impacto faz desse polímero um plástico de engenharia que tem sido muito utilizado na construção civil em substituição ao vidro. A presença de grupos benzênicos na cadeia principal da molécula torna o policarbonato um polímero rígido, amorfo e com uma baixa contração na moldagem (tanto na transversal quanto paralela ao fluxo). O fato de possuir grupos laterais polares e regularidade na cadeia, faz com que tenha um alto valor de transição vítrea (145°C), com isto ele possui elevados valores para as propriedades térmicas e estabilidade dimensional muito boa. A cadeia polimérica do policarbonato é simétrica, o que lhe confere boas propriedades dielétricas através de uma larga faixa de frequência. Enquanto seu alto valor de HDT garante a manutenção destas propriedades até 125°C. Características: Alta transparência Alta resistência ao impacto Alta resistência térmica Boa retardância à chama mesmo sem aditivos Excelentes propriedades elétricas Bom isolante de alta frequência à temperatura ambiente Sensível à hidrólise Elevado módulo de flexão Baixa contração no molde O policarbonato é 250 vezes mais resistente que vidro e trinta vezes mais resistente que o acrílico É recomendado para cobrir áreas externas e cobertura que exijam luz natural 20 É também muito utilizado em decorações, pois sua maleabilidade permite que tome diversas formas Atende aos códigos de ‘’flamabilidade’’: são auto extinguíveis (não propagam chama) e os gases são atóxicos, aprovadas pelas instituições internacionais Não amarelecimento: São protegidas contra o ataque dos raios solares (U.V) Curvatura a frio: podem ser curvadas a frio, obedecendo a um raio mínimo de 100 vezes a espessura, facilitando assim sua instalação. Transmissão de luz: o índice de transmissão de luz é praticamente idêntico ao do vidro. Até 120º não altera as características. Pode-se observar que o Policarbonato não atua somente como um material qualquer que pode substituir os polímeros plásticos citados; como suas propriedades incluem “retardância à chama”, “alta resistência térmica”, o mesmo atua com o um limitador para possíveis acidentes ocasionados pelo uso do fogão, que envolvam fogo ou altas temperaturas, tornado o produto mais seguro e garantindo maior confiabilidade na prevenção de possíveis acidentes domésticos provenientes de princípios de incêndio. Figura 11 - Ligação Policarbonato 21 9. Bibliografia PAVANATI, Henrique Cezar. Ciência e Tecnologia dos Materiais. São Paulo, 2015. SMITH, Hashemi. Fundamentos da Engenharia e Ciência dos Materiais. 5 ed . Porto Alegre, 2012. VAN VLACK, Laurenci H. Princípios daCiência e Tecnologia dos Materiais. 13 ed . São Paulo, 2000. Castolin, Eustectic. Linha Mundial Eustectic Castolin para Soldagem de Aços inoxidável. São Paulo, 2006.
Compartilhar