1.0 Metais

Os metais provêm dos depósitos naturais de minérios na crosta terrestre. A maioria dos minérios é contaminada com impurezas que devem ser removidas por meios mecânicos ou químicos. O metal extraído do minério purificado é conhecido como metal primário ou metal virgem, e o metal proveniente da ganga (parte não aproveitada da fragmentação de minérios) é designado metal secundário.

Há dois tipos de minérios, os ferrosos e os não ferrosos. A quantidade de ferro na crosta terrestre é de aproximadamente vinte vezes a de todos os outros metais não ferrosos juntos; por isso o ferro é o metal mais importante e o mais empregado.

O alumínio, pela sua aparência atraente, resistência relativamente alta e baixa densidade, é o segundo metal mais usado. O minério de alumínio comercialmente explorável, conhecido como bauxita, é um depósito formado próximo à superfície da crosta terrestre.

O maior percentual de ferro comercialmente produzido vem do processo com alto-forno, que realiza uma reação química entre uma carga sólida e a coluna de gás ascendente resultante no forno. Os três diferentes materiais empregados na carga são minério, fundentes e coque. O minério consiste de óxido de ferro e o fundente principal é o calcário, que se decompõe em óxido de cálcio e dióxido de carbono. A cal reage com as impurezas do minério de ferro e flutua sobre a superfície na forma de escória. O coque, que se constitui principalmente de carbono, é o combustível ideal para alto-fornos porque produz o gás monóxido de carbono, o principal agente redutor do minério de ferro.

A atividade básica do alto-forno é reduzir o óxido de ferro para ferro metálico e remover as impurezas do metal. Os elementos reduzidos passam para a massa de ferro e os elementos oxidados dissolvem-se na escória. O metal proveniente do alto-forno é denominado ferro-gusa e é empregado como um material intermediário para posteriores processos de refino.

FIGURA 01 - REDUÇÃO DO FERRO

1.3 Solidificação de um metal

Após a etapa de refino, o aço está pronto para ser “vazado” e solidificado. Esta etapa de solidificação chama-se lingotamento, o qual pode ser convencional ou contínuo.

No lingotamento convencional, moldes metálicos (“lingoteiras”), feitos normalmente de ferro fundido, são utilizados na solidificação do aço que após completamente solidificado recebe o nome de lingote.

Já no lingotamento contínuo, o aço líquido é vazado em um grande reservatório chamado distribuidor. Do distribuidor, o aço líquido segue por dois moldes metálicos de cobre na forma de tubos que são refrigerados com água. Quando saem destes moldes, o aço já solidificado recebe jatos de água para completar o resfriamento. Durante o resfriamento, o aço é cortado com dimensões padronizadas por tesouras, recebendo o nome de tarugo.

Tanto o lingote quanto o tarugo são, então, levados para a etapa de laminação, onde serão transformados em uma série de produtos, tais como barras, perfis, chapas, fio máquina entre outros.

1.3.1 Descontinuidades na solidificação:

O aço líquido é homogêneo, mas durante a solidificação surgem defeitos que tornam o material sólido heterogêneo.

Alguns tipos são removíveis com tratamento térmicos e ou termo-mecânicos. Outros podem persistir e até evidenciarem-se no produto final.

Alguns defeitos são eliminados durante a fabricação do produto final (acabado) outros defeitos tornam-se até mais evidentes no produto final.

Os principais defeitos são:

1.3.1.1 Vazio (ou Rechupe)

A solidificação se inicia nas regiões onde há mais troca de calor (paredes e superfície). Quando da solidificação, ocorre a formação de um perímetro sólido envolvendo uma região central liquida. Com o passar de um estado liquido para sólido, concomitantemente, ocorre uma contração volumétrica devido a queda de temperatura. Visto não haver mais liquido para abastecer a variação de volume, surge, então regiões "vazias" no seio da massa metálica.

Este defeito se localiza habitualmente no centro da parte superior dos lingotes, região que, em geral, se solidifica por último.

Este tipo de descontinuidade é muito grave para a sanidade das peças, afetando diretamente as propriedades mecânicas.

Normalmente, o "vazio" é eliminado pelo corte das partes que o contém. No caso do lingote quando ainda se encontra ao rubro.

O "massalote", também chamado "cabeça quente", um prolongamento sobreposto a lingoteira, constituído por material refratário. Certa quantidade de metal destinado a preencher o oco que tende a aparecer no lingote é mantido no estado de fusão. Com o uso de "massalote" se faz com que os vazios se formem no interior desses e assim obtém-se um lingote são.

Em peças moldadas complexas com diferentes espessuras, usam-se mais de um canal de alimentação, suprindo regiões mais propensas a vazios por contração, por exemplo,

regiões de maior espessura onde a solidificação é sempre mais demorada. A função destes canais é atrair o quanto possível o defeito.

As regiões mais próximas a superficie são mais factíveis a este tipo de ocorrência. (peças produzidas a partir destas regiões seriam as mais susceptíveis). Isto pode originar regiões descontínuas mesmo após laminação a quente.

Estas regiões tornam-se sítios de trincas e fissuras, principalmente para peças solicitadas dinamicamente por choques ou tensões cíclicas. Por exemplo: Rodas, eixos, pontes metálicas.

Na figura, inicialmente, tem-se (a) o metal inteiramente no estado líquido; (b) a solidificação tem início na periferia, onde a temperatura é mais baixa e caminha em direção ao centro; (c) fim da solidificação e (d) contração sólida.

FIGURA 02 - SOLIDIFFICAÇÃO DE METAIS (Fonte: Apostila Processos de fabricação - SENAI)

1.3.1.2 Segregação

Quando em estado líquido, o aço (liga Ferro-Carbono) dissolve homogeneamente quase todo tipo de impurezas.

Ao solidificar, estas impurezas ficam insolúveis e tendem a segregar, diferenciando-se no meio do metal.

Ao acúmulo de impurezas nos lingotes e em certas peças fundidas dá-se o nome de "segregação".

Como a solidificação começa da periferia para o centro é nesta última região que a maior parte das impurezas irão se acumular.

O fósforo que se dirige para o centro atua no sentido de baixar o ponto de solidificação do metal, assim contribuindo também para que a região central se solidifique mais tarde. Principalmente o Fósforo e o Enxofre, são de pouca solubilidade no aço sólido, segregando-se a medida que a temperatura cai.

A tendência é de se agrupar nas regiões solidificadas por último. Isto é normal nas zonas próximas aos vazios. Com o Silício e Manganês não é muito notável, mas sim com o Fósforo e Silício. Estas segregações causam uma variação nas propriedades mecânicas nas regiões onde ocorrem.

Por isso são estabelecidos teores máximos para cada elemento com vistas a não causar problemas nas propriedades dos metais. Para se avaliar a presença de segregação podem ser feitas análises químicas ou metalográficas.

Quanto maior o tamanho da peça, mais intensa pode ser a segregação devido a menor velocidade de solidificação. Pois, há mais tempo para que as impurezas se segreguem.

Felizmente, a zona segregada fica em geral nas proximidades do centro das peças ou dos perfilados, onde as tensões são frequentemente mais baixa, contribuindo essa circunstância para atenuar a sua nocividade.Isso explica o comportamento relativamente satisfatório em muitos casos.

De qualquer forma, deve-se exercer um controle, principalmente em peças submetidas a choques ou carregamentos alternados, pois a segregação constitui um defeito que pode contribuir na nucleação de trincas.

1.3.1.3 Porosidades:

São pequenas cavidades preenchidas com gases tipo gás carbônico.

Estes gases podem ser originários de:

Gases que são arrastados pelo metal líquido quando do vazamento nos moldes

Gases dissolvidos no metal e que não tiveram tempo de evoluir para fora durante a solidificação.

Gases oriundos de alguma reação interna.

Os gases, em verdade, fogem da massa líquida que resfria, devido a diminuição da miscibilidade entre ambos. Mas isso só é possível até certo valor da viscosidade metálica que aumenta conforme cai a temperatura.

Quando o lingote é trabalhado mecanicamente, são possíveis as seguintes situações:

Se o gás das bolhas for redutor (gás carbônico, dióxido de carbono) é possível ocorrer o caldeamento das paredes das porosidades, não afetando, portanto, as propriedades mecânicas do material.

Se por outro lado, as porosidades tiverem as paredes internas com a presença de impurezas e ou óxidos o caldeamento fica dificil, senão impossível. Isto gera fissuras que podem evoluir para fratura do material.

No caso de óxidos a presença de um alto teor de Carbono associado a uma alta temperatura de laminação, pode causar a redução destes óxidos, facilitando o caldeamento. Só que este procedimento causa uma descarbonetação localizada que pode ser prejudicial ao material.

Para diminuir as porosidades se usam ligas desoxidantes como Fe-Si, Fe-Mn, AI puro. Eles se combinam com o Oxigênio, gerando compostos sólidos, diminuindo as porosidades.

1.3.1.4 Trincas

As trincas podem ser tanto externas quanto internas.

Tem origem nas tensões geradas durante os tratamentos térnicos e tratamentos mecânicos e nos resfriamentos de peças com diferentes espessuras.

Também podem ser geradas a partir de descontinuidades, tanto de superficie quanto de composição química (presença de inclusões, porosidades)

A forma geométrica (arestas vivas ou fissuras internas).

Trincas induzidas pelo hidrogênio.

1.3.1.5 Gotas Frias

Ao verter o metal líquido na lingoteira, pequenas gotas respingam contra as paredes, resfriando-se com rapidez e oxidando-se superficialmente. Algumas permanecem aderidas ás paredes, outras se desprendem e caem novamente na massa que as retém.

As que ficam na parede não aderem depois completamente o lingote devido à película de óxido e constituem um defeito superficial. Este defeito pode ser removido a talhadeira.

1.1 Metais ferrosos:

O termo ferroso provém do latim ferrum, significando ferro; um metal ferroso é aquele que possui alto teor de ferro. Os mais importantes são:

1.1.1 Aço carbono:

Os Aços-carbono são ligas de ferro e carbono, com a quantidade de carbono até 2%, e contendo em quantidades pequenas e variáveis manganês, fósforo, enxofre e silício;

As propriedades e a soldabilidade destes aços dependem fundamentalmente da percentagem de carbono contida, embora sofram influência dos demais elementos assim como dos ciclos térmicos envolvidos.

Os aços carbono podem ser classificados em cinco tipos gerais:

1.1.1.1 Aços de baixo carbono:

C ≤ 0,18%.

1.1.1.2 Aços de médio Carbono (temperaturas elevadas):

0,18% < C ≤ 0,28%.

1.1.1.3 Aços para baixas temperaturas:

Geralmente C ≤ 0,23% e Mn ≤ 1,10%.

1.1.1.4 Aços estruturais:

Não há definição quanto à composição química.

1.1.1.5 Aços carbono de alta resistência:

Valores de carbono semelhantes aos dos aços de baixo carbono, porém com maior percentagem de manganês.

1.1.2 Aços de baixa e média liga

Recebem a denominação geral de aços que possuam quantidades de outros elementos além dos que entram na composição do aço-carbono (C, Mn, Si, P e S). Esses elementos adicionais são denominados de elementos de liga, como principais Cr, Ni, Mo, V e Nb.

São classificados conforme a percentagem total de elementos de liga:

Aços de baixa liga com até 5% de elementos de liga;

Aços de média liga com teor acima de 5% até 10% de elementos de liga.

1.1.2.1 Aços-liga Molibdênio e Cromo-molibdênio:

São os mais utilizados os apresentado a seguir.

Aços-liga Cr-Mo são aços contendo até 1% de Mo e até 9% de Cr. São ferromagnéticos de estrutura ferrítica.

No ponto de vista dos empregos destes materiais, pode se dividir em dois grupos:

Até 2 1/2% de Cr. Estes são empregados em serviços em alta temperatura.

Mais de 2 1/2% de Cr. Estes são empregados em serviços em alta temperatura com esforços mecânicos moderados e alta corrosividade do meio.

O principal caso de emprego desses materiais são as tubulações, tubos de permutadores de calor, e equipamentos de pequeno e médio porte em serviços com hidrocarbonetos em temperaturas acima de 250°C.

1.1.2.2 Aços Níquel.

Os mais usuais são os aqui apresentados:

2 1/2% de elementos de liga;

3 1/2% de elementos de liga;

9 % de elementos de liga.

Os aços contendo níquel como elemento de liga são os materiais específicos para serviços em baixas temperaturas. Quanto maior a percentagem de níquel, mais baixo também pode ser a temperatura de utilização do aço.

1.1.2.3 Aços-liga de alta resistência

Existe uma grande variedade de aços-liga desenvolvidos especialmente para apresentar altos valores do limite de resistência, que pode atingir até 98,1 MPa.

Os elementos de liga são variáveis, podendo conter Mn, Cr, Mo, V entre outros, em uma quantidade total de até 5%. Esses aços são submetidos a tratamento térmicos de têmpera e revenido.

1.1.3 Aços inoxidáveis

Os aços inoxidáveis são ligas ferro-cromo que contém, tipicamente, um teor acima de 12% de cromo. A partir desse teor e em contato com oxigênio ocorre a formação de uma fina película de óxido de cromo sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais. Apresenta em geral, maior resistência à oxidação a alta temperatura em relação a outras classes de aços.

A classificação mais utilizada é aquela baseada na microestrutura apresentada por esses aços na temperatura ambiente.

Os aços inoxidáveis martensiticos e os ferríticos são praticamente ligas ferro-cromo. De acordo com a AISI (American Iron and Steel Institute) são classificados como tipo 400. Os inoxidáveis austeníticos são constituídos basicamente de Ferro-Cromo-Níquel, e são classificados como classe 300 e alguns como 200.

1.1.3.1 Aços inoxidáveis martensíticos.

Caracterizam-se por apresentarem entre 11,5% e 18% de cromo. Tornam-se martensíticos (endurecíveis) pelo tratamento térmico de têmpera. São ferromagnéticos (atraídos pelo imã). O teor de carbono é bem variado, daí esses aços poderem ser ainda classificados em três classes:

Baixo Carbono

Médio Carbono

Alto Carbono

Esses aços são submetidos a tratamentos de recozimento quando se deseja realizar severas deformações a frio ou mesmo para outros processos de fabricação. O principal tratamento dos aços inoxidáveis martensíticos é a têmpera (óleo ou ar) para a obtenção da máxima dureza e resistência ao desgaste.

1.1.3.2 Aços inoxidáveis ferríticos.

Caracterizam-se por apresentarem elevados teores de cromo (podendo ser superior a 25%) e baixo teor de carbono (máximo de 0,2%). Não são endurecíveis pela têmpera. São também ferromagnéticos.

O tipo 430 é o mais usado devido sua grande resistência a ação de alguns ácidos e à água do mar. O tipo 430F apresenta enxofre, fósforo ou selênio para a melhoria da sua usinabilidade. São muitos conhecidos devido a seu emprego muito amplo (indústria automobilística, indústria de aparelhos eletrodomésticos, indústria química, equipamentos de restaurantes e de cozinhas ,etc).

Os aços dessa classe são submetidos ao tratamento de recozimento para alívio de tensões ou quando se deseja alta ductilidade ao de recozimento de recristalização. Deve-se tomar o cuidado no aquecimento desses aços, pois eles apresentam o fenômeno de "fragilidade a 475°C", isto é, na faixa de 400 a 525°C precipita uma fase denominada de fase sigma que surge principalmente nos de alto cromo, quando expostos a um longo tempo. Recomenda-se o aquecimento do aço acima de 600°C seguido de um resfriamento rápido em ar ou água.

1.1.3.3 Aços inoxidáveis austeníticos.

Estes aços apresentam, além do cromo, altos teores de níquel. Os mais conhecidos epopulares são os 18-8 com teores médios de 18%Cromo e 8% Níquel. Não são ferromagnéticos.

Eles apresentam alta plasticidade e capacidade de encruamento. Alguns tipos podem apresentar após deformação a frio estrutura martensítica. Apresentam ainda boas propriedades de resistência à temperatura elevada. Não sofrem o fenômeno de transição dutil-frágil, sendo indicado para serviços criogênicos.

1.1.3.4 Aço Inoxidável Duplex

É um tipo de aço inoxidável, com composição média de 22% de cromo e 5% de níquel, composto pela combinação de dois tipos de microestrutura: ferrítica e austenítica. Sua principal característica é a excelente resistência à corrosão em meios agressivos devido à sua habilidade em se passivar, e permanecer no estado passivo em diversos meios aos quais é submetido; Devido ao efeito do refino de grão obtido pela estrutura austenítica-ferrítica e ao endurecimento por solução sólida, estes aços apresentam resistência mecânica superior aos aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos. Suas aplicações se dão principalmente no ramo da indústria petroquímica (em unidades de dessalinização, dessulfuração e equipamentos para destilação) e papel e celulose (em digestores, plantas de sulfito e sulfato e sistemas de branqueamento)

Este grupo possui características muito especiais, dentre elas está o seu comportamento super plástico indicado pelas grandes deformações em temperaturas próximas da metade da sua temperatura de fusão. Além da sua super plasticidade estão entre as propriedades mecânicas dos aços duplex a alta resistência a corrosão e

a sua resistência mecânica superior a dos aços inoxidáveis comuns. Estes aços possuem limites de resistência à tração da ordem de 770 MPa, limite de escoamento próximo de 515 MPa, e alongamento em 50mm de 32% em média.

São difíceis de soldar, pois quando aquecidos e posteriormente resfriados, formam precipitados, que interferem diretamente na soldabilidade

Suas principais aplicações estão nas indústrias químicas , de óleo, gás , papel e celulose, aplicado principalmente em evaporadores, dutos, unidades de dessalinização e dessulfuração, equipamentos para destilação, tanques de condução e armazenamento de material corrosivo.

1.1.4 Ferro fundido

O ferro fundido é uma liga Fe-C com teor de carbono superior a 2%. Pela influência do silício nessa liga, o ferro fundido é considerado uma liga Ferro-Carbono-Silício, pois o silício está freqüentemente presente em teores superiores aos do próprio carbono. Por outro lado, em função de sua constituição estrutural, o carbono está geralmente presente sob a forma de veios ou lamelas de grafita, sem formar o composto carboneto de ferro (Fe3C).

Os principais tipos são:

1.1.4.1 Ferro fundido cinzento, cuja fratura mostra uma coloração escura, caracterizada por apresentar como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício e estrutura em que uma parcela relativamente grande do carbono está no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no estado combinado (Fe3C);

1.1.4.2 Ferro fundido branco, cuja fratura mostra uma coloração clara, caracterizado por apresentar ainda como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício, mas cuja estrutura, devido às condições de fabricação e menor teor de silício, apresenta o carbono quase inteiramente na forma combinada (Fe3C);

1.1.4.3 Ferro fundido nodular, caracterizado por apresentar, devido a um tratamento realizado ainda no estado líquido, carbono livre na forma de grafita esferoidal, o que confere ao material característica de boa ductilidade, por isso a denominação frequente para esse material é de ferro fundido dúctil.