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Metalurgia da SoldaduraGuia do Formando

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MODULFORM - Formao Modular Metalurgia de Soldadura Guia do Formando IEFP - Instituto do Emprego e Formao Profissional Departamento de Formao Profissional Direco de Servios de Recursos Formativos ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade Direco de Formao ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade Direco de Formao J.F.Oliveira Santos

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SAF - Sistemas Avanados de Formao, SA ISQ / Alexandre Pinto de Almeida OMNIBUS, LDA BRITOGRFICA, LDA BRITOGRFICA, LDA Instituto do Emprego e Formao Profissional Av. Jos Malhoa, 11 1099 - 018 Lisboa Portugal, Lisboa, Maio de 2000 1 000 Exemplares

1. Edio Tiragem Depsito Legal ISBN

Copyright, 2000 Todos os direitos reservados IEFP Nenhuma parte desta publicao pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma ou processo sem o consentimento prvio, por escrito, do IEFP.Produo apoiada pelo Programa Operacional Formao Profissional e Emprego, co-financiado pelo Estado Portugus, e pela Unio Europeia, atravs do FSE.M.S.05

Metalurgia de Soldadura Guia do Formando

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Fabricao de Aos

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OBJECTIVOSNo final desta Unidade Temtica, o formando dever estar apto a:

Distinguir os diferentes tipos de fabricao do ao; Enumerar as formas de vazamento e solidificao do ao; Classificar os aos em funo do processo de fabrico; Caracterizar os defeitos mais comuns nos aos.

TEMAS

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Introduo fabricao dos aos O alto-forno Processos de fabricao do ao Processo BESSEMER Processo SIEMENS - MARTIN Processo LD Processo de forno elctrico Procedimento de acabamento Vazamento e solidificao dos aos Processos de refuso Origem dos defeitos dos aos Resumo Actividades / Avaliao


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INTRODUO FABRICAO DOS AOS

Os diversos tipos de ferro e aos so todos eles formas de ferro metlico que diferem entre si pelos teores em carbono e outros elementos de liga e ainda pelo modo como so fabricados. O carbono , de longe, o elemento de liga mais importante, sendo o principal responsvel pela imensa gama de resistncias e de outras propriedades teis que podem ser desenvolvidas nos aos. Os mtodos de fabricao dos aos so extremamente importantes para qualquer tcnico de soldadura, j que em cada processo de fabrico existem limitaes prticas que afectam as caractersticas do produto. Normalmente, so as prprias especificaes dos materiais que determinam qual o processo de fabrico mais adequado aplicao em causa. Efeitos de azoto nos aos Antes de passarmos a descrever estes processos, podemos antecipar que um dos aspectos que mais interessa ao utilizador do ao o seu teor em gases dissolvidos, em especial o azoto. Com efeito, pequenas quantidades deste elemento afectam seriamente a dureza e as propriedades, introduzindo defeitos de difcil deteco mediante ensaios no destrutivos. Uma soluo simples seria aceitar unicamente aos fabricados por processos que conseguissem eliminar esses gases. Outras impurezas no gasosas, como o enxofre e o fsforo, so prejudiciais a partir de um determinado teor de concentrao, pelo que as especificaes limitam a quantidade destes elementos no ao, quer em conjunto, quer separadamente.

Enxofre e fsforo como impurezas

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Componente Cientfico-Tecnolgica Guia do Formando

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Um ao , na sua essncia, uma liga ferro-carbono, sendo possvel obt-lo por dois processos diferentes. A Fig. I.1 mostra um esquema geral da fabricao deste material.

Fig. I.1 - Fabricao do ao

A primeira via aquela em que, a partir das matrias-primas, tais como minrio de ferro, carvo mineral, carbonetos de clcio, etc., se obtm o produto comercial que conhecemos com o nome de Ao, atravs de um semi-produto conhecido como Gusa. Trata-se do processo seguido pela Siderurgia Integral. Outro processo o da reciclagem dos aos que, por alguma razo, deixaram de ser teis para o fim que se lhes destinou, por exemplo, equipamentos fabris, automveis e maquinaria, entre outros. Este material agora considerado como sucata, podendo ser refundido em fornos elctricos e tratado para obter produtosM.T3.02 Ut.01

Siderurgia Integral

Recuperao de sucatas



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comercializveis. , contudo, atravs do primeiro caminho que se obtm a maior parte dos aos utilizados na indstria. Basicamente obtm-se, por esta via, aos no ligados e produtos fundamentais, tais como: perfis, chapas e arame. Pela segunda via, isto , mediante a refuso de sucatas, produz-se a maior parte dos aos especiais, quer sejam de baixa, mdia ou alta liga. A instalao principal pode ser o forno elctrico, o qual, dada a sua facilidade de controlo e versatilidade de funcionamento, actualmente o mais utilizado para o fabrico de aos ligados. Para os utilizadores, no s tem interesse a fase da reduo do minrio, mas tambm a sua afinao, levada a cabo nas acearias. Por isso, quando numa dada norma se faz referncia fabricao do ao, este processo comea na acearia e no na preparao do minrio e do carvo para obter o lingote. Contudo, para se entender melhor o processo geral, vamos abordar seguidamente o conjunto das operaes que vo desde as matrias-primas at ao produto acabado.

O ALTO - FORNO

Alto-forno

O alto-forno a instalao principal para a reduo dos minrios de ferro, compostos essencialmente por carbonatos deste metal. O facto de cerca de 5% da crosta terrestre ser composta por ferro, justifica a utilizao preferencial do ao na construo. Existem, contudo, outros procedimentos utilizados em zonas que dispem de um agente redutor mais econmico do que o carvo, como o gs natural, ou em que o minrio apresenta caractersticas especiais, o que impossibilita o seu tratamento por aquele sistema. O alto-forno um forno com caractersticas especficas. Possui em mdia 20 metros de altura; revestimento de tijolos refractrios; estrutura metlica projectada para resistir aos choques introduzidos pela carga; sistema de arrefecimento da blindagem exterior pelo meio de gua; tubeiras para conduzir o ar, bem como estruturas que suportam os dispositivos de carga e de captao dos gases de escape.

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A Fig. I.2 mostra, em esquema, como constitudo o alto-forno. Podem-se distinguir os seguintes elementos:

3 2 1

5 4

7 8 10 12 9 6 11

Fig. I.2 - Esquema de um alto-forno

BOCA (1) - Zona superior cilndrica, por onde se introduzem as cargas e saem os fumos. Possui um dispositivo na parte superior (3) que isola o alto-forno da atmosfera durante a sua operao, permitindo simultaneamente a sua carga. Os gases saem por condutas laterais (2). CUBA (4) - Zona tronco-cnica de pequena inclinao, com a base maior para baixo. As paredes so revestidas por tijolos refractrios (5). Este revestimento tem de suportar choques devido carga do alto-forno, pelo que deve possuir elevada resistncia. A sua estrutura assenta sobre uma galeria circular de beto (6) que se apoia no solo. O arrefecimento da blindagem exterior feito por um canal directo ou por intermdio de tubos de gua que circulam em intervalos da alvenaria. VENTRE (7) - Zona cilndrica de maior dimetro. O seu revestimento refractrio semelhante ao da cuba. ZONA DE FUSO (8) - Regio tronco-cnica de base maior virada para cima. As paredes so constitudas por tijolos refractrios slico-aluminosos. O arrefecimento faz-se por circulao forada de gua na alvenaria ou por um canal da blindagem.M.T3.02 Ut.01



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CADINHO (9) - Zona cilndrica inferior, cuja parte superior contm as tubeiras ou algaravizes (10) que conduzem o ar. Na parte inferior, possui dois orifcios, a nveis diferentes, chamados sangradores: o superior (11) destina-se ao escoamento da escria e o inferior (12) ao escoamento da gusa. A estrutura de apoio da zona de fuso e do cadinho assenta em placas de beto.Envolvendo o alto-forno existe uma complexa estrutura metlica que suporta os dispositivos de carga e de captao dos gases de escape. As reaces mais importantes que tm lugar no alto-forno so as seguintes: 1. Combusto do coque, (o carvo mineral isento de fraces volteis) para produzir monxido de carbono, CO. Esta reaco liberta uma dada quantidade de calor que aproveitada para elevar a temperatura da massa em reaco e aumentar, assim, a velocidade da prpria reaco. O elemento redutor fundamental utilizado por esta instalao o CO. 2. O monxido de carbono reage com os xidos de ferro, produzindo ferro metlico e CO2 (dixido de carbono); este ltimo sai, juntamente com os gases expelidos, pela parte superior do alto-forno. No alto-forno, reduzem-se tambm as impurezas que acompanham o mineral. Desta forma, so reduzidos a totalidade dos fosfatos, a maior parte dos minerais de mangans, parte da slica e algum outro metal que possa acompanhar ou formar parte da "ganga" do mineral. O carbono que no foi transformado em monxido de carbono dissolve-se no ferro reduzido, dando origem a um produto rico naquele elemento (podem atingirse teores superiores a 4%), o qual ser significativamente reduzido nas operaes posteriores para obteno do ao. Este produto do alto-forno no estado lquido conhecido pelo nome de "gusa". Esta segue para os misturadores para ser armazenada ou para lhe serem adicionados elementos de liga, ou ento para os conversores, sendo, ento, refinada. Obtm-se, desta forma, o ao que, ainda no estado lquido, ser vertido em lingoteiras. Aps solidificao, recebe o nome de "lingote". Uma das limitaes que o alto-forno impe sua alimentao a granulometria. No se podem utilizar minrios finos nem pulverulentos que impeam que as reaces se processem de uma forma eficaz, podendo inclusivamente a corrente gasosa que existe no seu interior arrastar o p, obstruindo o respectivo escoamento. Como as quantidades de mineral utilizadas no processo de tratamento de slidos so considerveis, desenharam-se instalaes auxiliares que recuperam estes materiais, transformando-os noutros de maior granulometria e com caractersticas adequadas para poderem ser tratados no alto-forno. Estas instalaes so denominadas fbricas de sinterizao. Outra soluo para utilizar minrios pulverulentos a denominada pelitizao, a qual consiste em fabricar bolas com o p do minrio, as quais so posteriormente "cozidas", de modo a ganharem a resistncia mecnica adequada para serem carregadas, sem problemas, no alto-forno.M.T3.02 Ut.01

Gusa

Lingote

Fbricas de sinterizao

Pelitizao

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Quando o carvo no pode ser introduzido directamente no forno, necessrio eliminar previamente os compostos volteis e condensveis que se produzem ao destil-lo na ausncia de ar. Esta operao efectua-se nas chamadas baterias de coque, exigindo aos carves certas caractersticas de forma a que, quando destilados, originem um produto poroso de adequada resistncia compresso, de modo a permitir a passagem do ar insuflado pelas caixas de vento, aumentando, assim, a sua superfcie esfrica e a sua reactividade: C + O2 CO + CO2 (I.1)

Este tratamento prvio do carvo pressupe um consumo aprecivel deste material na reduo dos minerais de ferro.

PROCESSOS DE FABRICAO DO AO

Na fabricao do ao, ocorrem processos de purificao e afinao da mistura de gusa e de sucata, que permitem obter as composies qumicas previstas nas diferentes especificaes. A gusa vinda do alto-forno no tratada imediatamente, mas armazenada em grandes reservatrios chamados misturadores onde se mantm no estado lquido. Este armazenamento tem trs objectivos:

Tcnicas de purificao e afinao da gusa Os misturadores

Misturar a gusa proveniente de vrias sangrias do alto-forno, tornando-a homognea. Desta forma, obtm-se grandes quantidades de ao com a mesma composio qumica. Permitir uma certa independncia entre acearia e o alto-forno, j que o misturador permite o armazenamento de uma dada quantidade de matriaprima (gusa). Reduzir a presena do enxofre na gusa. Esta operao realiza-se mediante a adio de mangans que, em contacto com o enxofre, forma o sulfureto de mangans, o qual, por ser menos denso que a gusa, sobe superfcie. Este elemento, ao entrar em contacto com o ar oxida-se, dando origem a xido de mangans e o gs sulfuroso que se liberta. Consegue-se, assim, reduzir o teor em enxofre da gusa para valores da ordem dos 0.06%. De salientar, contudo, que se trata de um processo caro, dado o custo relativamente elevado do mangans. Gusa de 1 fuso

A gusa de primeira fuso apresenta uma percentagem de carbono compreendida entre 2.3 e 4.5% e traz associados outros elementos como o silcio, o mangans, fsforo, enxofre e outras impurezas. O ao uma liga ferro-carbono, com percentagens de carbono compreendidas entre 0.03 e 2.6%, raramente ultrapassando, na prtica, 1.4%.M.T3.02 Ut.01



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Por outro lado, um ao simples no deve conter silcio e mangans em percentagens to elevadas como as existentes na gusa.Para reduzir os teores em carbono, bem como diminuir a percentagem de silcio e mangans, isto , para obteno do ao, os processos mais utilizados so os conversores, os fornos Martin e os fornos elctricos. Processo bsico e cido de afinao da gusa O refino da gusa pode ser caracterizado por dois tipos de processos: o cido e o bsico. O xido de clcio ou cal a substncia principal, utilizada para eliminar o enxofre e o fsforo atravs da escria.Contudo, se num forno se utiliza cal juntamente com um refractrio base de silcio, formam-se silicatos clcicos e a cal arrasta e desgasta rapidamente os refractrios. Baseando-se neste facto, as escrias bsicas de alto teor em cal, necessitam de refractrios bsicos como o xido de magnsio, ou, pelo menos, neutros como o trixido de crmio. Assim, os processos que utilizam um aditivo como o xido de clcio juntamente com um refractrio bsico so denominados processos bsicos. Aqueles em que se adiciona, por exemplo, granito para produzir escria cida com um ponto de fuso adequado e que utilizam refractrios base de silcio, denominam-se processos cidos. Para alm do tipo de refractrio, a fabricao do ao classificada consoante a origem do calor utilizado no processo, isto : 1. Processos em que o calor necessrio para a fuso do ao se obtm mediante gases combustveis derivados do petrleo ou atravs de energia elctrica. 2. Processos em que o calor necessrio conseguido por meio de uma reaco directa entre o oxignio (O2 ) e impurezas, tais como o C, Si e P, contidas na gusa. Estes elementos denominam-se termogneos.

PROCESSO BESSEMER

Processo Bessemer

A explorao industrial deste mtodo de fabrico foi iniciada no Reino Unido, tendo sido Bessemer a primeira pessoa a idealizar um processo para a fabricao do ao, atravs da injeco de ar numa dada massa de gusa. Nessa altura, no se conhecia a influncia do refractrio, pelo que se utilizavam unicamente tijolos de SiO2 no revestimento. A sua natureza cida impedia a eliminao de S e P, sendo o C e o Si os elementos termogneos deste processo.

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Neste processo, o fundo do convertidor perfurado por uma srie de orifcios que o atravessam, denominados tubeiras, tal como se mostra na Fig. I.3.Gusa

RefractrioGases Escria

Venteiras

Ar

Ao

Fig. I.3 - Convertidor Bessemer

Antes de iniciar o tratamento, o conversor colocado na posio horizontal para ser carregado com a gusa lquida (a cerca de 1200C), at 1/3 do seu volume; em seguida, o conversor levado posio vertical, ao mesmo tempo que se introduz o ar. A reaco realiza-se quando a aco do ar sobre a gusa lquida forma o xido de ferro que, ao reagir ao silcio e mangans, origina a reduo dos teores destes elementos. As oxidaes originam um aumento brusco da temperatura at 1600C. Esta elevao de temperatura cria condies para que se d a combusto do carbono. Este, ao entrar em contacto com o ar, ocorre a combusto completa do carbono com a formao do dixido de carbono. Durante esta fase aparecem chamas brancas e brilhantes, resultantes da oxidao do ferro.

FuncionamentoA gusa no deve estar nunca em contacto com a caixa de ventilao ou com as tubeiras, dado o perigo de a massa lquida as obstruir ou deteriorar o seu fundo. Por este motivo, tem de se regular cuidadosamente a presso de entrada de ar atravs das tubeiras, j que, se ela for menor do que a necessria, existe o risco de obstruo e se for maior, pode haver projeco de ao a uma altura considervel. Assim, a presso deve ser a apropriada para equilibrar o peso de ao e criar uma atmosfera de ar prximo das tubeiras. Princpio de funcionamento do processo

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Processo Thomas

O processo tem uma durao de cerca de 30 minutos e o seu controlo difcil, j que, devido ao efeito de refrigerao causada pelo azoto, a temperatura final muito baixa, no se dispondo de tempo suficiente para analisar e ajustar a composio qumica. Os fundos s poderiam suportar uma mdia de 20 vazamentos, havendo o risco de se deteriorarem logo aps as primeiras utilizaes.

UtilizaoCom este processo, podem-se tratar gusas com teores em mangans de 1,5 a 2,5%. A ordem de oxidao a seguinte: Si-C-Mn. As ferroligas de Mn e Si so adicionadas no final do processo de afinamento para eliminar o FeO dissolvido no banho atravs da passagem dos respectivos xidos e escria. Quando se observa o aparecimento dos fumos quer dizer que se atingiu o fim da operao. neste momento que se deve interromper a injeco do ar, voltando o conversor posio horizontal.

Perspectivas futuras do processoProcesso Siemens - Martin Este convertidor tratava originalmente minrios cujo teor em fsforo era to pequeno que no era necessrio eliminar este metalide/elemento para se produzirem os aos comuns. Hoje em dia, esses minrios esto praticamente esgotados, pelo que o processo Bessemer deixou de ser utilizado industrialmente desde o incio da dcada de 70. Uma verso deste convertidor, mas com revestimento bsico, foi desenvolvida por Gilchrist Thomas, estando tambm, hoje em dia, a sua utilizao praticamente reduzida a zero. Outro factor importante, relativamente a este processo de fabricao de aos, diz respeito sua pequena capacidade para receber sucata, bem como baixa qualidade do ao produzido. Este ltimo aspecto resulta, sobretudo, do alto teor em azoto, j que a passagem do ar atravs da massa fundida satura-a completamente daquele elemento gasoso.

PROCESSO SIEMENS - MARTIN

O processo Siemens-Martin nasceu da necessidade de aproveitar as enormes quantidades de sucata provenientes da indstria metalrgica, tais como: restos de lingotes e perfilados, aparas resultantes da maquinao de peas, entre outros, e, ainda, do interesse em produzir aos de qualidade superior dos obtidos nos conversores.M.T3.02 Ut.01

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Foi at h relativamente pouco tempo o processo mais utilizado. A Cuba, tal como se mostra na Fig. I.4, um recipiente de grande dimetro e pequena profundidade, menos de um metro, capaz de conter at cerca de 300 toneladas de ao.

Fig. I.4 - Cuba Siemens-Martin

Dispe de um tecto refractrio suspenso a cerca de dois metros da superfcie. As chamas de gs natural, alto-forno, coqueria, etc., cobrem o espao acima da superfcie do material em fuso. A cuba do forno possui um revestimento bsico ou base de tijolos de CaO (xido de clcio) com o objectivo de assim se poder tratar uma vasta gama de misturas de gusa e sucata, incluindo grandes e pesadas peas desta ltima, difceis de carregar noutro tipo de convertidor. A operao lenta dado que se necessitam de 6 a 8 horas para afinar uma carga, sendo esta a razo pela qual se tem vindo a substituir este mtodo de fabrico pelos processos LD e forno elctrico. Contudo, a lentido de fabrico deste processo permitia realizar vrias anlises para controlar de forma muito precisa a composio qumica final. Com o actual desenvolvimento da instrumentao, consegue-se um controlo similar em processos mais rpidos, pelo que a vantagem do convertidor SiemensMartin diminui. A temperatura mxima no muito superior da fuso do ao e a absoro de azoto relativamente pequena. A reaco qumica obtida neste processo a seguinte: Princpios de funcionamento do processo

(I.2)

A escria, rica em fsforo, solvel na gua, sendo utilizada na agricultura como adubo.M.T3.02 Ut.01



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A temperatura necessria fuso (superior a 1600C) conseguida atravs de uma mistura de ar e combustvel gasoso, previamente aquecidos em recuperadores, montados na parte inferior do forno, os quais aproveitam o calor desenvolvido no prprio processo de fuso. A oxidao das principais impurezas realiza-se atravs da adio de minrios de ferro (principalmente xidos), os quais reagem com o carbono para formar CO. Este gs atinge a superfcie, produzindo um efeito de ebulio, o que contribui para homogeneizar a composio qumica de toda a carga. Como h consumo do refractrio durante o processo, adiciona-se-lhe CaO, por forma a aumentar a sua durao. Neste processo, os teores de S e P podem ser reduzidos a nveis inferiores a 0.04%, atravs da sua passagem escria sob a forma de sulfatos e fosfatos clcicos. Eliminar o fsforo requer, contudo, condies fortemente oxidantes, perdendo-se todo o Mn, Si, e C antes de se eliminar aquele elemento. Por esta razo, tem de se adicionar estes elementos sob a forma de ferro-ligas, depois das escrias fosforosas terem sido eliminadas.

UtilizaoO processo Siemens-Martin utiliza-se principalmente para produzir aos carbono e de baixa liga com menos de 2% de Crmio, ainda que, em alguns casos, com injeco extra de oxignio, se cheguem a conseguir ligas mais ricas e at aos inoxidveis austenticos do tipo 18Cr - 8Ni. Contudo, difcil reduzir o C nos aos com elevada percentagem de Cr, preferindo-se, nestes casos, o forno elctrico, que , por seu lado, o exigido pela maioria das especificaes da American Society for Testing and Materials, ASTM.

Perspectivas futuras do processoActualmente, este processo j quase no utilizado. A razo para este facto prende-se fundamentalmente com o elevado consumo de energia. Efectivamente, este processo necessita de uma grande quantidade de calor, o que encarece de forma extraordinria o preo do ao, diminuindo a sua competitividade. A qualidade dos aos produzidos por este processo , contudo, muito boa.

PROCESSO LD

Processo LD

O nome deste processo de fabrico de ao vem das iniciais de duas cidades austracas Linz e Donawitz, cujas siderurgias foram as pioneiras na sua utilizao industrial.M.T3.02 Ut.01

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Entre os anos de 1935 e 1945, as siderurgias belgas, francesas e alems realizaram ensaios e testes para a fabricao de ao, com a utilizao de oxignio, enriquecendo o ar que se insuflava nos convertidores Thomas. Na sua essncia, este processo consiste num desenvolvimento do antigo convertidor Bessemer, substituindo o insuflamento de ar pela injeco de oxignio projectado a uma presso adequada, entre 6 e 15 kg/cm2, em funo da espessura da camada de escria, por forma a poder atravess-la e chegar at ao banho metlico, sem entrar nela em demasiada profundidade. O oxignio com uma pureza mnima de 99% lanado sobre o material fundido atravs de orifcios existentes na tubeira situada no extremo de uma lana refrigerada a gua ou por meio de bocas localizadas nos lados ou no fundo do convertidor. O revestimento interno do forno de natureza bsica, com tijolos base de magnsio. A sua espessura, de acordo com o tamanho do convertidor, varia entre 300 e 800 mm. Na Fig. I.5, mostra-se em esquema uma seco de um convertidor do tipo LD. Princpio de funcionamento do processo

Fig. I.5 - Esquema do processo LD para fabricao de ao por meio da sopragem de oxignio puro

FuncionamentoO convertidor trabalha sem adio de combustvel ou potncia elctrica equivalente. O oxignio actua como elemento oxidante. O calor originado na combusto do excesso de silcio, carbono, fsforo, etc., contidos na gusa. Neste processo, so variveis fundamentais a presso de sopro, a distncia da lana ao banho - que varia, durante a operao, entre 1 e 1,5 m - e a pureza do oxignio. Para gerar a escria, adiciona-se cal ou calia. Atingem-se em pouco tempo temperaturas muito elevadas, da ordem dos 2 500 a 3 000C, as quais facilitam e aceleram a reaco. As escrias formam-se rapidamente e o desaparecimento de impurezas quase simultneo. Com efeito, nos primeiros minutos da sopragem, comea a eliminao do silcio e, quase ao mesmo tempo, a do mangans. O carbono e o fsforo comeam a ser eliminados um pouco depois, processando-se de forma contnua, durante toda a operao.M.T3.02 Ut.01



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Neste processo, o enxofre e o fsforo podem ser reduzidos aos baixos nveis exigidos nas actuais especificaes. Devido brevidade do ciclo, necessrio facilitar as operaes de carga e descarga. Isto obriga a situar os convertidores sobre estruturas que permitam o seu desenvolvimento. Nas Fig. I.6 e I.7, mostram-se os processos Kaldo e Rotor, variantes do processo LD. Estes processos so utilizados para tratar gusas fosforosas, utilizando uma mistura de oxignio com 95% de pureza e de cal em p. Estes convertidores rodam em torno do seu eixo principal, o que ajuda a homogeneizar a temperatura e a composio qumica.

Fig. I.6 - Processo Kaldo

Fig. I.7 - Esquema de operao do processo Rotor para fabricao de ao

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UtilizaoO investimento necessrio numa instalao LD corresponde a cerca de metade de uma acearia Siemens-Martin. O convertidor LD muito verstil pois tem a vantagem de utilizar uma grande quantidade de gusa lquida, principal matriaprima para a fabricao dos aos, e poder carregar de 10 a 30% de sucata. Partilha com o forno elctrico a facilidade de eliminar as escrias. A utilizao de oxignio puro leva obteno de teores em azoto da ordem de 0.002% a 0.004%. O ao produzido tem uma qualidade similar ao do processo Siemens-Martin, sendo, porm, o seu custo menor, devido, entre outras razes, economia do refractrio.

PerspectivasA capacidade tpica deste convertidor varia entre 250 a 300 toneladas, sendo a sua produtividade muito elevada devido rapidez da operao. Com efeito, com um convertidor de 300 toneladas pode obter-se o que em Siderurgia se chama "Tap to Tap", isto , um ciclo de cerca de 50 minutos. Este processo, que uma contribuio europeia para a Indstria Siderrgica, tem sofrido nos ltimos anos uma grande expanso, ocupando destacadamente o primeiro lugar entre os sistemas de fabricao de aos no mundo.

PROCESSO DE FORNO ELCTRICO

Dado o nmero de unidades em funcionamento na indstria, trata-se do processo de fabricao de aos especiais mais utilizado. O sistema de transmisso de calor feito por arco elctrico ou por induo, sendo o primeiro o mais utilizado para fornos de mdia e grande capacidade.

FuncionamentoO forno elctrico por arco um recipiente vertical revestido de refractrio, mais compacto e espesso do que o do convertidor Siemens-Martin. O revestimento pode ser bsico ou cido.M.T3.02 Ut.01



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O primeiro, base de tijolos de magnsio ou dolomite, o mais utilizado em aos especiais. O cido, com soleira base de areia siliciosa, utilizado sobretudo para fabricar peas de ao forjado. O forno trifsico possui na sua parte superior trs elctrodos de grafite presos em suportes roscados, dispostos nos vrtices de um tringulo equiltero e com dimetro varivel entre 100 a 800 mm, consoante o tamanho do forno. Estes elctrodos consomem-se razo de 5 a 6 Kg de grafite por tonelada de ao produzido. Da mesma forma, a tenso elctrica varia entre os 100 e 500 V e a intensidade entre os 10 000 e os 50 000 A. Os elctrodos operam como grandes sistemas de soldadura, dirigindo o arco elctrico directamente sobre a parte superior da carga, subindo e descendo automaticamente para controlar a corrente do arco, e, desta forma, regular a potncia do mesmo. A Fig. I.8 mostra a seco de um forno elctrico, no qual uma camada de escria isola os elctrodos do banho, evitando-se desta maneira a absoro de carbono procedente dos mesmos.

Elctrodos

Canal de

Areia silicosa

Forno cido

xido de Magnsio

Fig. I.8 - Forno Elctrico (Heroult) Legenda: 1-Tijolos de silcio; 2- Tijolos com elevado teor em alumnio; 3- Tijolos de xido de magnsio; 4- Tijolos de argila refractrios.

A carga do forno constituda fundamentalmente por sucata. No banho, leva-se a cabo uma reaco de oxidao-reduo ou "Reaco Redox". Durante a fuso oxidante, elimina-se o fsforo (como fosfato triclcio) e, durante a fase redutora, o xido de ferro dissolvido no banho, bem como o enxofre, so eliminados (como sulfuretos clcicos) medida que vai desaparecendo o FeO. O controlo do tipo de atmosfera no banho fcil.

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Fabricao de Aos

O calor concentra-se na parte superior da carga, sendo necessrio, em geral, utilizar bobinas electromagnticas, de forma a induzir-se uma agitao no recipiente, para que o material mais frio do fundo atinja a superfcie e vice-versa. Quando se carregam grandes quantidades de gusa, a oxidao obtida com gangas de ferro, de forma similar ao processo Siemens-Martin ou com injeco de um jacto de oxignio. Para gerar a escria, adiciona-se cal, calia e, em certos casos, coque. fcil eliminar as primeiras cargas de escria enriquecidas de enxofre e fsforo e substitu-las por uma escria nova e fina de cal/silcio, a qual tende a englobar rapidamente mais S e P provenientes do metal. Quando se utilizam escrias bsicas, o forno elctrico pode conseguir eliminar quantidades menores de fsforo e enxofre do que as obtidas no convertidor Siemens-Martin. So frequentemente obtidos teores de 0.03% de cada elemento e, inclusivamente, prximos de 0.015%. Devido s elevadas temperaturas debaixo dos elctrodos, o teor em azoto tende a ser elevado, embora se obtenha um nvel aceitvel deste elemento para a maioria das especificaes existentes. As ferro-ligas adicionam-se tanto no Forno como no vazamento, sendo este o processo mais adequado para a fabricao dos aos especiais.

UtilizaoO factor facilidade de carga do recipiente faz deste processo o sistema ideal para fundir sucata de baixa densidade, tal como carroarias compactadas de automveis e aparas de tornos e outras mquinas e ferramentas. Embora a sua aplicao nos aos no ligados no seja econmica, utiliza-se este processo sempre que existe excesso de capacidade. melhor que o processo Siemens-Martin e LD para fundir e afinar uma carga composta por 100% de sucata, podendo ser operado com alguma economia, admitindo at 50% de gusa. Trata-se do mtodo mais utilizado na fabricao de ao forjado.

Perspectivas futuras do processoO preo destes aos est intimamente ligado ao preo da KW.hora e da sucata, pelo que o seu xito ser sempre ditado pela conjuntura em que se insere.

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Fabricao de Aos

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PROCEDIMENTOS DE ACABAMENTO

Introduo de elementos liga para purificao do ao

Os aos produzidos atravs dos processos atrs descritos contm, em geral, pouco C, Mn e Si, j que o fsforo no pode ser oxidado sem oxidar tambm estes elementos. Para produzir aos conforme as especificaes preciso adicionar C, Mn, Si e outros elementos, momentos antes de verter o ao nas lingoteiras ou, s vezes, depois de o fazer. Estes elementos so adicionados sob a forma de ferro-ligas. O Mn adiciona-se sempre em quantidade suficiente para reagir com todo o enxofre residual, pois, caso contrrio, seria impossvel laminar a quente ou forjar o ao.

Calmagem do ao

O Si fundamental para calmar o ao, ou seja, para decompor o xido de ferro, combinando-se preferencialmente com o oxignio. Existem vrios processos de purificao para melhorar a qualidade do ao, sendo utilizados entre a fabricao e o vazamento. De entre estes, destacamse os seguintes:

Processo de purificao

Desgaseificao em vcuo Descarbonatao em atmosfera de rgon-Oxignio

No Quadro I.1, apresentam-se os teores em gases contidos no ao, consoante a fase de fabrico.

GASES DISSOLVIDOS NO AO Solubilidade mxima temperatura de vazamento % H2 O2 N2 0,0027 0,22 0,038 Valores antes da desgaseificao do ao Siemens - Martin 0,0005-0,0008 0,004-0,005 0,003-0,006 Valores do mesmo ao desgaseificado em vcuo % 0,00023 0,002 0,002

Quadro I.1 - Teores dos diferentes gases dissolvidos no ao

Purificao por desgaseificao em vcuo

O processo de desgaseificao em vcuo encontra-se normalizado para preparar grandes massas de ao com destino forja. Por vezes, este processo utilizado para reduzir o carbono dos aos inoxidveis austenticos a valores exigidos nos graus ELC (Extra Low Carbon).M.T3.02 Ut.01

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O processo de descarbonatao, denominado simplesmente AOD (rgon Oxygen Descarburization), tem a finalidade de reduzir a valores muito baixos o teor em carbono nos aos inoxidveis, bem como de permitir, no acabamento dos aos, a utilizao de ferro-ligas com altas percentagens em carbono, mais fceis de encontrar no mercado.

Purificao por descarbonatao

VAZAMENTO E SOLIDIFICAO DO AO

Utilizao de vazamentos intermdiosO ao fundido procedente de qualquer dos processos de fabrico atrs descritos vertido em recipientes metlicos, revestidos interiormente de refractrio de alto teor em alumnio, atravs de um orifcio ou fenda, o qual fechado por uma vlvula accionvel do exterior, atravs de uma alavanca. Este passo intermdio de fabricao do ao fundido tem um duplo objectivo:

Facilitar uma separao adicional e final das escrias. Permitir que a temperatura do ao baixe para os valores mais adequados ao mtodo de moldao escolhido. Estas temperaturas so controladas atravs de pirmetros imersos no banho de ao em fuso.

Objectivos dos vazamentos intermdios

Os sistemas de vazamento utilizados so os seguintes:

Sistemas de vazamento

Vazamento em lingoteira. Vazamento contnuo. Moldagem de peas de ao.

Os dois primeiros so a base dos produtos forjados e laminados.

Vazamento em lingoteiraA lingoteira um molde de fundio de seco poligonal, sendo a quadrada e a rectangular a mais usual. A sua capacidade muito varivel, utilizando-se com maior frequncia as de 5 e 10 toneladas. Os aos no solidificam a uma temperatura fixa, mas, sim, num determinado intervalo, consoante o seu teor em carbono. Quando o ao fundido arrefece at gama de temperaturas a que se inicia a solidificao, a solubilidade dos gases dissolvidos decresce, obrigando o excesso desses gases a sair do metal.M.T3.02 Ut.01

Vazamento em lingoteira



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muito importante saber que o equilbrio qumico entre o carbono e o oxignio se modifica quando a temperatura baixa, de tal forma que ambos os elementos reagem entre si para formar monxido e dixido de carbono. A quantidade de gases e o oxignio residual dissolvido no ao lquido, bem como os gases gerados durante a solidificao, influenciam o tipo de estrutura do lingote. Aos Calmados Aos calmados eliminam as porosidades So aos que se obtm adicionando Fe, Mn, FeSi ou granalha de Al. Algumas acearias juntam SiNn, SiCa. O objectivo eliminar o FeO e o oxignio dissolvidos. Ao solidificar lentamente nas lingoteiras, o ao no liberta quaisquer gases. Um dos inconvenientes resultante deste facto o aparecimento de grandes cavidades de contraco na parte superior do lingote, tal como se pode ver na Fig. I.9. Estas cavidades so eliminadas atravs do gito de alimentao, isto , o apndice introduzido para auxiliar o enchimento e facilitar a eliminao dos defeitos.

Fig. I.9 - Aparecimento da cavidade durante a solidificao de ao calmado na lingoteira

precisamente neste apndice oco, com forma de cilindro ou tronco de cone, que se produz a segregao da maior parte das impurezas e se forma o rechupe. Esta parte do lingote de muito baixa qualidade, pelo que se corta e se envia para a sucata. Os aos calmados apresentam-se praticamente isentos de porosidades.M.T3.02 Ut.01

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Aos Efervescentes Ao solidificar nas lingoteiras produzem uma forte efervescncia e um grande desprendimento de gases e salpicos. Estes aos no contm silcio suficiente. So fabricados adicionando-se-lhes FeMn, o que eleva as suas caractersticas mecnicas, no havendo, contudo, uma desoxidao completa. Neste caso, o volume de poros que aparece no lingote solidificado aproximadamente igual ao volume de contraco que o ao sofre durante a solidificao (Fig. I.10). Aos efervescentes tm um grande ndice de porosidade

Fig. I.10 - Lingotes de ao efervescente

Estes aos, como o ASTM-A-285 em chapa e ASTM-A53 em tubo, no so adequados para serem utilizados em atmosferas contendo hidrognio, j que este atravessaria a estrutura ferrtica alojando-se nas porosidades internas, podendo provocar o fenmeno de rebentamento externo do lingote denominado "blistering" (Fig. I.11).

Fig. I.11 - Fenmeno de "Blistering"M.T3.02 Ut.01



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Aos Semi-Calmados Trata-se de aos de um grau intermdio entre os dois tipos anteriores. So pouco utilizados, j que so difceis de fabricar (Fig. I.12).

Fig. I.12 - Lingote de ao semi-calmado

Vazamento contnuoNa Fig. I.13, apresentado um esquema de uma instalao de vazamento contnuo. Neste caso, utilizado sada do recipiente que contm o ao no estado lquido, um molde de cobre arrefecido a gua.

Fig. I.13 - Instalao de vazamento contnuoM.T3.02 Ut.01

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medida que o ao vai solidificando no fundo do molde, o metal desloca-se no sentido descendente, afluindo novo lquido ao molde. O vazamento e o movimento descendente so sincronizados ao ritmo da solidificao perifrica, favorecendo o processo contnuo. Este processo melhora o rendimento da Siderurgia, j que elimina os lingotes individuais, reduz as etapas de fabricao, aproveita energia e aumenta a produtividade.

PROCESSOS DE REFUSO

Para a fabricao de aos especiais de alta pureza, utiliza-se um mtodo que tem por finalidade voltar a fundir lingotes j processados. So utilizados, sobretudo, os seguintes processos industriais:

Refuso por electroescria Refuso por arco no vcuo

Tipos de processos de refuso

O primeiro processo, abreviadamente designado por ESR (Electroslag Remelt), produz um lingote de material limpo e uniforme atravs da fuso de um lingote convencional imerso em escria fundida. A escria actua como catalisador para eliminar as impurezas. Conforme se mostra na Fig.I.14, a fuso tem lugar quando o lingote original, actuando como elctrodo, desce na escria contida num cadinho de cobre refrigerado por gua.

Ncleo do elctrodo Elctrodo

gua de refrigerao

Cadinho de cobre Fontes de energia

Banho de escria Metal lquido Metal slido

Pelcula de escria Suporte refrigerado para gua

Fig I.14 - Processo de Refuso por electroescria (ESR)M.T3.02 Ut.01



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Produzem-se, assim, a um ritmo controlado, muitas pequenas gotas de metal envoltas em escria fundida, a qual reage com o ao para eliminar o enxofre e outras incluses no metlicas. O processo de refuso por arco no vcuo, designado abreviadamente por VAR (Vacuum Arc Remelt), utiliza um lingote fabricado num forno elctrico ou de induo, ligado como um elctrodo a uma fonte de energia. Este lingote colocado num molde de dimetro ligeiramente superior. O molde actua como um Forno ligado a um sistema de vcuo que produz, ao mesmo tempo, no ao um efeito de afinamento, reduzindo o seu teor em hidrognio e outros gases dissolvidos.

ORIGEM DOS DEFEITOS DOS AOS

Origem dos defeitos

Os defeitos ou imperfeies dos aos so causados pela prpria natureza dos processos de fabrico ou das etapas posteriores de acabamento. As origens dos defeitos existentes nos aos so as seguintes:

Defeitos produzidos no alto-fornoUma boa parte das impurezas existentes na gusa eliminam-se no momento do afinamento do ao. Como para reduzir o teor em fsforo se necessita de ter condies fortemente bsicas na oxidao, outras substncias mais facilmente oxidveis so eliminadas anteriormente. Na prtica, significa que muito poucas impurezas procedentes do alto-forno permanecem em quantidades que possam ser prejudiciais para os aos fabricados por qualquer processo denominado bsico. Nenhuma especificao, tanto de aos para recipientes sob presso como para qualquer outra finalidade, faz referncia a esta etapa da fabricao.

Defeitos procedentes das sucatasA sucata sem ser classificada tem muitos e diversos componentes. Alguns metais podem ser introduzidos involuntariamente no ao, sendo posteriormente difceis de eliminar. O problema reside em certos elementos da liga, como cobre, nquel, crmio, molibdnio, vandio, etc., que prejudicam a dureza da zona termicamente afectada pela soldadura, chegando a provocar fissuras quando essa soldadura se realiza sem as necessrias precaues.M.T3.02 Ut.01

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Algumas especificaes, em especial as referentes a aos de alto limite elstico ou elevada carga de rotura, limitam os teores destes elementos desnecessrios. O enxofre, fsforo, silcio, etc., que podem estar presentes na sucata em quantidades excessivas, reduzem-se facilmente a valores aceitveis atravs dos processos normais de afinao.

Defeitos devidos ao AzotoReferimos repetidamente a difcil deteco e o risco que comporta um elevado teor em azoto nos aos destinados a suportar esforos em condies de servio. conveniente assinalar que, ainda que este problema seja relembrado na altura da seleco dos materiais de adio de soldadura, a influncia relativa dos processos de fabrico do ao no seu teor de azoto deve ser analisada anteriormente. No Quadro I.2 vm assinalados os diferentes teores deste elemento em funo do processo de fabrico do ao. O teor em azoto deve ser controlado

Processo

Teores normais de N2 (%)

Observaes

Bessemer Siemens Martin LD Forno Elctrico

0,015-0,25 0,003-0,006 0,002 0,007-0,010

O mais alto de todos os processos de fabricao Considerado como o teor "standard" Utilizando O 2 com 99,5% de pureza Aproximadamente duplo do ao Siemens - Martin

Quadro I.2 - Teores em azoto no ao em funo do processo de fabrico

Os riscos acentuam-se quando o N2 existe em elevada percentagem na sucata, como acontece, por exemplo, quando se voltam a fundir no forno elctrico lingotes procedentes de um convertidor Bessemer.

A pureza de um ao pode ser prejudicial

Defeitos devidos a uma excessiva pureza do aoA investigao siderrgica tem originado avanos que permitem obter aos cada vez mais puros. Contudo, a experincia veio a demonstrar que certas incluses so capazes de reter considerveis quantidades de hidrognio sem que representem srios riscos para o material, sendo esta situao, em condies de servio, menos desfavorvel do que um excesso de hidrognio num ao extra puro. Desenvolveram-se, por esta razo, materiais de adio para soldadura com teores extremamente baixos de hidrognio.M.T3.02 Ut.01



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Fabricao de aos

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RESUMO

Nesta Unidade Temtica, procedeu-se ao estudo do processo de obteno dos aos. Foi efectuada a descrio do funcionamento do alto-forno e dos processos utilizados para obteno do ao, assim como das reaces qumicas que ocorrem durante cada um dos processos. Foram ainda abordados os procedimentos de acabamento e os processos de refuso. Tambm estudou-se as causas do aparecimento dos defeitos dos aos.

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Fabricao de aos

ACTIVIDADES / AVALIAO

1. Em siderurgia, na zona do alto-forno, d-se a transformao da carga em gusa, obtendo-se a chamada gusa de primeira fuso. Como se caracteriza esta gusa e quais so as suas principais diferenas relativamente ao ao? 2. Depois da gusa ter sado do alto-forno, segue para uma unidade muito importante; o misturador. Qual a sua funo? 3. Quais so os processos de fabricao de aos? 4. Para que servem os processos de refuso? 5. Qual a origem dos defeitos dos aos?

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Componente Prtica Guia do Formando


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Classificao Ligas Fer Classif icao das Lig as Fer r o-Carbono

Classificao das Ligas Ferro-Carbono

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Classificao das Ligas Ferro - Carbono


Distinguir um ao de um ferro fundido; Conhecer as vrias formas de classificao dos aos.

TEMAS

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Introduo Classificao dos aos Designaes de aos segundo a sua composio qumica Designaes de ao segundo o teor em carbono Classificao dos aos segundo o grau de desoxidao Classificao dos aos segundo a constituio estrutural Classificao dos aos segundo o modo de produo Classificao dos aos segundo a sua aplicao Resumo Actividades / Avaliao


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INTRODUO

Obteno de ferro

O ferro um elemento qumico que se encontra na natureza na forma de um xido do tipo FeO, Fe2O3, Fe3, O4, e que, aps fuso e purificao, se apresenta na forma de um metal puro com ponto de fuso de 1536C. de ressaltar que as consideraes feitas ao ferro "puro" so apenas de ordem especulativa, j que a produo de ferro na forma totalmente pura de extrema complexidade, sendo que, actualmente, se consegue obter este elemento na forma metlica com ndices de impurezas bastante reduzidos.

Liga metlica ferrosa

O ferro puro praticamente no tem interesse industrial, sendo necessrio que esteja devidamente combinado com outros elementos, formando, assim, uma "liga metlica ferrosa", para que seja utilizado em estruturas e componentes. Um dos componentes bsicos nas ligas base de ferro o carbono e, de acordo com a percentagem de participao deste elemento, obtm-se as ligas ferrosas conhecidas como o ao e o ferro fundido. Uma classificao simplista, a partir da anlise do diagrama de equilbrio binrio, formado pela combinao entre o ferro e o carbono, pode definir o ao como sendo uma liga de ferro e carbono, onde o teor deste ltimo elemento inferior a 2.03% (em peso). Do mesmo modo, o ferro fundido basicamente uma liga de ferro / carbono com teores em carbono entre 2.03% e 6.67% (em peso). Especificamente, o ao um dos mais importantes materiais estruturais entre as ligas metlicas. Este facto deve-se possibilidade de se obterem ligas de elevadas caractersticas mecnicas que vm ao encontro das solicitaes industriais, aliadas ao baixo custo e a uma grande reserva mineral.

Aos e ferros fundidos

Resistncia mecnica do ferro baixa

Devemos ressaltar que o ferro puro se apresenta muito macio e de pouca resistncia, enquanto que combinado na forma de uma liga, especificamente o ao, passa a apresentar valores de resistncia mais aceitveis. Normalmente, podemos obter ligas que apresentam tenses de cadncia que variam entre 200 MPa.m-2 e 2.000 MPa m-2.

CLASSIFICAO DOS AOS

Classificao dos aos

Como j referimos, chama-se ao a toda a liga ferro-carbono, com ou sem outros elementos de liga, forjvel, cujo teor em carbono varia entre 0.03 e 2.1 % salvo, em casos excepcionais. A classificao dos aos pode ser encarada sob vrios pontos de vista.

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Assim, podemos classific-los quanto:

composio qumica ao teor em carbono ao grau de desoxidao constituio estrutural ao modo de produo aplicao

Consoante a classificao escolhida, o ao passa a ser conhecido pela sua designao, conforme veremos em seguida.

DESIGNAES DE AOS SEGUNDO A SUA COMPOSIO QUMICA

Segundo este processo de classificao consideraram-se dois tipos de ao, dividindo-se um deles em dois subtipos. A sua designao , assim, a seguinte:

Classificao dos aos segundo a composio fsica

aos no ligados aos ligados

baixa liga fortemente ligadosOs aos no ligados so os que possuem apenas o carbono como elemento de liga do ferro. Podem surgir nestes aos quantidades reduzidas de outros elementos tais como o silcio, o mangans, o alumnio, o titnio e o cobre, que no so, no entanto, utilizados como elementos de liga. Para que um ao seja considerado no ligado, os teores destes elementos residuais, que dependem do processo de fabrico e da matria-prima, no podem ser superiores a: 0.5% de Si 1.5% de Mn 0.1% de Al 0.05% de Ti 0.35% de Cu

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Os aos ligados so aqueles em que os elementos anteriormente considerados surgem com teores superiores aos indicados ou em que surgem outros elementos de liga tais como Cr, Ni, Mo, W, V, intencionalmente adicionados. Os aos de baixa liga so aqueles em que o somatrio das percentagens dos elementos de liga inferior ou igual a 5%. Os aos fortemente ligados ou de alta liga so aqueles em que o teor total dos elementos de liga superior a 5%.

DESIGNAES DE AO SEGUNDO O TEOR EM CARBONO

Segundo este ponto de vista, temos a considerar os aos:

Classificao dos aos segundo o teor em carbono

hipoeutectides eutectides hipereutectides

O ao eutectide o que tem o teor em carbono correspondente ao ponto eutectide do diagrama de equilbrio. Nos aos no ligados, este ponto corresponde a 0.8% de carbono. Nos aos de liga, varia conforme a sua composio. Os aos hipoeutectides tm entre 0.03 e 0.8% de carbono e os aos hipereutectides tm entre 0.8 e 2.06% de carbono. Uma outra forma de classificar aos com base na percentagem de carbono da liga a seguinte: Aos de baixo teor em carbono: apresentam cerca de 0.2 % de carbono e so utilizados, normalmente, na forma de chapas ou peas para cementao. Aos de mdio teor em carbono: normalmente na faixa de 0.4% de carbono com utilizao estrutural ou para tratamentos trmicos. Aos de alto teor em carbono: com percentagem em carbono acima dos 0.6% e normalmente utilizados para fabrico de ferramentas.

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CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO O GRAU DE DESOXIDAO

Segundo este critrio, temos a considerar os seguintes tipos de ao:

calmados (R) especialmente calmados (RR) efervescentes (U)

Classificao dos aos segundo o grau de desoxidao

Os aos calmados so aqueles em que se procedeu completa desoxidao, no se desprendendo gases durante a sua solidificao. Os aos efervescentes so aqueles em que a desoxidao foi incompleta, verificando-se desprendimento de gases durante a sua solidificao, o que origina a formao de chochos e segregaes (normalmente compostos contendo P e S) no ncleo. Normalmente, utiliza-se o alumnio para calmar os aos. Os aos com mais de 0.3% de C, os aos ligados, os aos de cementao e os aos ditos de tratamento trmico (melhoramento) so calmados.

CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO A CONSTITUIO ESTRUTURAL

Segundo este critrio de classificao, temos a considerar os aos:

ferrticos perlticos austenticos martensticos ledeburticos Classificao dos aos segundo o modo de produo

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CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO O MODO DE PRODUO

Segundo este critrio de classificao, temos a considerar os aos produzidos nos seguintes fornos:

Classificao dos aos segundo o modo de produo

Bessemer (B) Thomas (T) Oxiconvertidores (LD) Siemens-Martin (SM) Elctricos (E) Cadinho (TI)

Poderamos, ainda, considerar os aos vazados em vazio e os aos fundidos em vazio.

CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO A SUA APLICAO

Classificao dos aos segundo a sua aplicao

Os elementos de liga so adicionados ao ao a fim de lhe conferir ou aumentar determinadas caractersticas fsico-qumicas, tornando-os mais ou menos indicados para uma determinada aplicao. Na tabela seguinte, indicam-se os efeitos da adio dos elementos de liga nos aos.

Elementos S , Si Ni, Mn C, Mn, Cr, Ni Cr, W, Mo, Mn W, Mo, V, Co, Cr Cr, Ni, Mo, Cu, Si

Efeito Aumentam a maquinabilidade Utilizao a baixas temperaturas Aumentam a resistncia mecnica Aumentam a resistncia ao desgaste Utilizao a temperaturas elevadas Aumentam a resistncia corroso

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Segundo o critrio de classificao, em funo da aplicao, podemos dividir os aos em trs grandes grupos, possuindo cada um deles subdivises. Os trs principais grupos so:

aos de construo aos para ferramentas aos especiais

Os aos de construo so os aos ligados ou no ligados, usados na construo de peas a utilizar individualmente ou fazendo parte de mquinas. So trabalhados e usados no estado de fornecimento (natural, recozido ou melhorado), podendo, no entanto, sofrer tratamentos trmicos e/ou termoqumicos durante o fabrico das peas como, por exemplo, cementao, melhoramento, tmpera e revenido. Os aos para ferramentas so aos ligados ou no ligados, destinados ao fabrico de ferramentas de qualquer tipo. Salvo raras excepes, so normalmente fornecidos no estado recozido, macio, sofrendo posteriormente um tratamento trmico. Podem tambm, em alguns casos, ser fornecidos no estado tratado (matrizes de estampagem a quente fabricadas a partir de blocos tratados). Os aos especiais so aos fortemente ligados (aos refractrios, inoxidveis, resistentes aos cidos, amagnticos, para mans, para peas de turbina, etc.), submetidos a diversos tratamentos trmicos para a obteno de propriedades fsicas especiais. Vamos ocupar-nos, em especial, dos aos para ferramentas e um pouco dos aos para construo, dada a maior importncia dos tratamentos trmicos nos primeiros. Veremos as subdivises de cada uma destas categorias; faremos algumas consideraes sobre cada uma delas e daremos alguns exemplos de tratamentos trmicos.

Aos para ferramentasOs aos para ferramentas podem, por sua vez, dividir-se em vrios tipos, segundo diversos critrios de classificao. Um deles divide os aos para ferramentas em dois grupos: aos no ligados e aos ligados. Dentro destes, e de acordo com o elemento de liga mais importante, ainda se podem considerar os aos com crmio, com mangans, com tungstnio, com molibdnio. No entanto, a classificao que est mais de acordo com as necessidades do consumidor e que pode mais facilmente ajud-lo a escolher o ao mais conveniente para uma determinada funo a classificao segundo a sua utilizao.M.T3.02 Ut.02



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Assim, teremos:

Classificao dos aos segundo a sua utilizao

aos rpidos aos para trabalho a quente aos para matrizes de trabalho a quente aos resistentes aos choques aos para trabalho a frio com tenacidade elevada e grande penetrao de tmpera (auto-temperantes) aos com fraca variao dimensional

de baixa liga fortemente ligados

aos temperveis na gua

no ligados ligados

aos para cementao e nitrurao aos inoxidveis e resistentes aos cidos

Aos de construoUsando o mesmo critrio do pargrafo anterior, isto , a classificao segundo a aplicao dos aos, podemos estabelecer as seguintes categorias, entre outras:

aos para cementao:

no ligados ligados

aos de tratamento trmico:

no ligados ligados

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aos para nitruraoM.T3.02 Ut.02

aos para tmpera superficial



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aos para engrenagens aos para rolamentos aos para vlvulas aos de muito alta resistncia aos para molas aos resistentes ao desgaste aos para canos de espingarda aos resistentes ao hidrognio sob presso aos inoxidveis e resistentes aos cidos aos inoxidveis a temperaturas elevadas (refractrios) aos para peas de turbo-mquinas aos para a fsica nuclear

Aos especiaisEntre outras, podemos anotar as seguintes categorias:

aos inoxidveis e resistentes aos cidos aos inoxidveis a temperaturas elevadas (refractrios) aos para fios condutores e de resistncia elctrica aos de coeficiente de dilatao trmica determinada aos para mans, rels, etc. aos amagnticos aos para baixas temperaturas

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RESUMO

Nesta Unidade Temtica, so estudadas as vrias formas de classificao dos aos. As diferentes classificaes apresentadas caracterizam os aos quanto:

composio qumica ao teor em carbono ao grau de desoxidao constituio estrutural ao modo de produo aplicao.

So, ainda, apresentadas as principais diferenas entre o ferro fundido e o ao.

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1. Como classifica os aos quanto ao teor em carbono? 2. Qual a principal diferena na composio qumica entre o ao e o ferro fundido?

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Estrutura e Propriedades dos Metais Puros


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OBJECTIVOS

No final desta Unidade Temtica, o formando dever estar apto a:

Identificar as diferentes estruturas dos metais; Reconhecer os tipos de clulas cristalinas mais comuns; Descrever o processo de solidificao de um metal; Enumerar as diferentes propriedades dos metais puros; Caracterizar deformao elstica e plstica.

TEMAS

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Introduo Estrutura dos metais Propriedade dos metais puros Deformaes elsticas / plsticas Resumo Actividades / Avaliao


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INTRODUO

O aspecto da superfcie de uma pea, em bruto ou sem acabamento final, pode fornecer indicaes preciosas quanto ao tratamento trmico eventualmente sofrido. notrio, por exemplo, que as peas tratadas termicamente apresentam uma camada superficial tpica, proveniente da oxidao. Com efeito, o aspecto da superfcie ou da fractura das peas, o comportamento do metal sob a aco de uma lima, de um martelo, de um man, a sonoridade das peas, a forma das fascas emitidas no esmeril, etc., prestam informaes preciosas sobre as propriedades do material ao observador experimentado. Por vezes, so os nicos meios, economicamente viveis, para se obter a informao desejada, j que so expeditos e realizveis sem aparelhos especiais. Se bem que em muitos casos verificaes dessa natureza sejam suficientes, outros h que no dispensam um controlo mais rigoroso. Por esta razo, so absolutamente necessrios instrumentos de preciso para medir a dureza das peas, ou a temperatura dos fornos de tratamento trmico, por exemplo, pois o controlo "a olho" jamais poderia assegurar a rigorosa uniformidade de produo que certas peas requerem. Indicaes mais tcnicas mais complexas so fornecidas pelos ensaios de laboratrio, feitos com o auxlio de mquinas, instrumentos e mtodos adequados para cada caso. Quase todos os resultados so expressos numericamente, de modo a permitirem o seu confronto com valores consignados em normas, especificaes ou outros dados que sirvam de comparao. Para a determinao das caractersticas de uma estrutura, torna-se necessria a utilizao de mtodos que tornem possveis esta operao. Por exemplo, as modificaes estruturais de um ao que ocorrem durante a sua solidificao podem ser observadas de trs formas: anlise macrogrfica, microgrfica e cristalina.

ESTRUTURA DOS METAIS

Se polirmos, cuidadosamente, uma amostra de um metal, a sua superfcie aparecer-nos- brilhante, sem qualquer descontinuidade e perfeitamente homognea. O mesmo se verificar se observarmos com uma lupa. Isto devese fundamentalmente ao brilho natural do metal e ao facto de o polimento ter criado uma finssima camada de material deformado plasticamente, o que impede o aparecimento do seu verdadeiro aspecto estrutural.

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O conhecimento da estrutura interna dos metais e suas ligas permite-nos compreender muitas das suas propriedades.

Estrutura cristalinaSe amplissemos a capacidade de observao atravs de aparelhos adequados (microscpios), de tal forma que fosse possvel observar o modo como os tomos se ligam entre si dentro dum gro, obteramos a estrutura cristalina dos metais. Na realidade, no temos microscpios que nos dem tal ampliao, mas poderamos recorrer a determinados aparelhos que, com o recurso aos raios X, permitem detectar quais as posies relativas dos tomos (difractometria de raios X). Utilizando esta tcnica, conclui-se que, nos gros, os tomos metlicos se distribuem ordenadamente no espao, formando uma malha tridimensional (Fig. III.1).

Fig. III.1 - Esquema de uma malha cbica simples

de notar que nesta malha se pode considerar uma unidade tridimensional mnima que se repete: a clula elementar que a base da malha cristalina. H vrios tipos de clulas onde os tomos ocupam os vrtices, o centro ou o meio das faces.

Clula elementar

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Clulas cristalinas

Nos metais, os tipos de clulas cristalinas mais comuns (Fig. lll.2) so: a) a cbica centrada (CCC) b) a cbica de faces centradas (CFC) c) a hexagonal compacta (HC)

a

b

cFig. lll.2 - Clulas elementares dos metais

Formao de cristais

A distncia entre dois tomos da mesma malha designa-se parmetro reticular. O seu valor depende do metal, do tipo de malha, e da posio dos tomos.

Solificao do metalNcleos de cristalizao Os metais solidificam-se sempre sob a forma cristalina. A solidificao inicia-se atravs da formao de pequenos cristais em todos os pontos onde o metal em fuso atinge a temperatura de solidificao. Estes pequenos cristais assim formados, tambm chamados ncleos ou centros de cristalizao, desenvolvem-se atravs da solidificao de novas partculas que se depositam sobre os ncleos j existentes. Esta deposio faz-se segundo direces preferenciais, denominadas eixos de cristalizao.

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Nas ligas ferro-carbono, como alis, em quase todos os metais, esses eixos so em nmero de trs e ortogonais entre si. Cada eixo, quando atinge certo desenvolvimento, desenvolve outros noutras direces e assim por diante, at toda a massa se tornar slida. A Fig.III.3 pretende ilustrar a formao de um cristal.

Fig. lll.3 - Formao de um cristal

Ao conjunto de cada eixo principal e respectivos eixos secundrios d-se o nome de dendrite, devido semelhana com a ramificao das rvores (dndron, em grego). O crescimento da dendrite limitado pelo encontro dos seus eixos com os das dendrites vizinhas. Terminada a solidificao, cada dendrite constitui um pequeno cristal de contornos irregulares. A dendrite , pois, um gro primrio em formao. Como consequncia do mecanismo anteriormente exposto, todos os metais, logo aps a sua completa solidificao, so constitudos por numerosssimos gros, fortemente unidos, cada um com orientao cristalogrfica independente da dos demais. Quando as dendrites se desenvolvem no seio do lquido, longe das paredes do molde em que o metal contido e sem obstculos, do origem a gros mais ou menos equiaxiais, quer dizer, o crescimento segundo os trs eixos perpendiculares entre si praticamente o mesmo. Os eixos junto s paredes do molde e orientados normalmente a estas apresentam um desenvolvimento muito maior do que os outros, devido ao facto de os ramos laterais esbarrarem, logo que comeam a crescer, com os que se formam a partir dos ncleos vizinhos. Este comportamento ilustrado nas Figuras III.4 e III.5.

Dendrites

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Fig. lll.4 - Desenvolvimento de dendrites junto s paredes do molde ou lingoteira



III . 5


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Fig. lll.5 - Gros colunares convergindo para um ncleo central de gros equiaxiais

PROPRIEDADES DOS METAIS PUROS

O conhecimento da estrutura cristalina dos metais, bem como da sua estrutura atmica, permite-nos explicar algumas das suas caractersticas, nomeadamente:

A elevada densidade dos metais; A variao de algumas propriedades com a direco: anisotropia; A estabilidade da ligao metlica; As principais propriedades.

Densidade nos metaisNmero de coordenao O nmero de coordenao de um metal representa a quantidade de tomos que envolvem cada tomo desse metal.

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No caso da malha cbica centrada, cada tomo envolvido por oito (nmero de coordenao igual a oito), Fig. lll.6.

Fig. lll.6 - Malha cbica centrada

Numa malha cbica de faces centradas, cada tomo envolvido por 12 (nmero de coordenao igual a doze), Fig. lll.7.

Fig. lll.7 - Malha cbica de faces centradas

A maioria dos metais cristaliza em malhas cujo nmero de coordenao elevado, geralmente 8 a 12. Como a distncia entre os tomos da malha pequena, verifica-se uma elevada concentrao de tomos num espao limitado, o que explica a elevada densidade da maioria dos metais.M.T3.02 Ut.03



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Anisotropia e isotropia aparenteAnisotropia A variao das propriedades com a direco designa-se por anisotropia. A anisotropia depende da distncia entre os tomos de uma malha e dos parmetros da malha. No caso em que as propriedades fsicas do material so as mesmas segundo os trs eixos, ou seja, constantes, designa-se este material por isotrpico. Normalmente, nos metais, os parmetros da malha variam com a direco, o que d origem a que, a nvel cristalino, estes materiais possam ter, para diferentes direces, diferentes comportamentos para estmulos externos iguais. Por exemplo, no modelo da Fig. lll.8, o parmetro a maior que b. Por isso, para uma mesma rea, o nmero de tomos no plano horizontal maior do que no plano vertical; este facto leva a que, por exemplo, seja mais fcil "introduzir" um elemento estranho atravs do plano vertical do que atravs do plano horizontal.

Isotropia

Fig. lll.8 - A facilidade de penetrao maior no plano vertical

No devemos, no entanto, esquecer que os metais no so constitudos por um nico cristal, mas por pequenos gros, constitudos por vrios cristais. Estes gros distribuem-se geralmente de forma desordenada, o que origina que as suas propriedades apresentem valores constantes em todas as direces. Isotropia aparente por esta razo que na generalidade dos metais se verifica uma isotropia aparente. O valor destas propriedades corresponde mdia dos valores que se obteriam segundo as direces principais do cristal.M.T3.02 Ut.03

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Ligao metlicaA forma como os tomos metlicos se ligam entre si constituiu, durante muito tempo, um enigma, dada a dificuldade em explicar simultaneamente as caractersticas particulares das suas propriedades e a grande estabilidade da ligao metlica. Para facilitar a ligao entre tomos, admite-se que os tomos perdem os electres das camadas exteriores e se transformam em ies (positivos) e que os electres de valncia se movimentam continuamente no interior da estrutura metlica. Observemos a Fig. lll.9. Se num dado instante, os ies A e B estivessem isolados, eles tenderiam a afastar-se. Mas, se no espao que os separa, passar um electro, o io A atrai o electro e o mesmo se passa com o io B. Assim, o electro funciona como uma corda que liga duas partculas. Ligao metlica

Fig. lll.9 - Plano da posio das partculas atmicas num metal

Como os electres livres so em grande nmero, ao movimentarem-se, vo ser atrados simultaneamente pelos ies que os envolvem e repelidos pelos electres vizinhos. Tal facto origina um elevadssimo nmero de interaces opostas de tipo electrosttico, o que garante uma forte ligao entre os ies. A esta forma de ligao d-se o nome de ligao metlica.

Condutibilidade elctricaA condutibilidade elctrica mede a capacidade de os materiais se deixarem atravessar pela corrente elctrica. Na generalidade, os metais so bons condutores elctricos, sendo este comportamento facilmente compreendido atravs do modelo que a seguir se descreve.

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A passagem dos electres atravs da estrutura cristalina efectua-se facilmente, dada a sua elevada mobilidade e as atraces opostas que os ies exercem sobre eles, podendo admitir-se que, ao se deslocarem, os electres como que "deslizam" no espao inter-atmico. As limitaes a este "deslizamento", derivam das possibilidades de "choque" com os ies. A probabilidade destes "choques" depende do tipo e dos parmetros da malha cristalina, como seja, a existncia de imperfeies no seu interior e a temperatura. Observando a Fig. lll.10 (a, b, c e d), verifica-se que os electres nela representados se deslocam com relativa facilidade no sentido do campo elctrico; a probabilidade de choque dos electres com os ies mnima sendo, por isso, a condutibilidade mxima.

a)

b)

c)

d)

Io

Electro

Io estranho (intersticial )

Io estranho (de substituio )

Fig. lll.10 - Variao da condutibilidade elctrica dos metais com as alteraes estruturais

No caso da Fig. lll.10 (b), a probabilidade de choque aumentou relativamente Fig. lll.10 (a) e, consequentemente, a condutibilidade diminuiu. Em lll.10 (c), o io estranho, por ser maior, constitui um obstculo passagem dos electres, o que origina uma diminuio da condutibilidade. Na Fig. lll.10 (d), o io estranho intersticial produz um efeito semelhante ao indicado na Fig. lll.10 (c). A elevao de temperatura no metal vai provocar um aumento da vibrao dos ies (em volta dos pontos reticulares) com o consequente aumento do espao ocupado, o que dificulta a passagem dos electres, diminuindo a condutibilidade elctrica. Podemos dizer que a condutibilidade elctrica tanto maior quanto menor for a resistncia passagem dos electres e que a resistividade elctrica uma medida da probabilidade de "choque" dos electres.

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Condutibilidade trmicaA condutibilidade trmica mede a capacidade que os corpos tm de conduzirem o calor. Normalmente, os metais so bons condutores trmicos; podemos definir que a elevada condutibilidade nos metais se deve s caractersticas da sua ligao, nomeadamente aos seus electres de valncia. Desta forma se compreende a razo pela qual, geralmente, nos metais os valores da condutibilidade elctrica e trmica esto relacionados (maior condutibilidade elctrica corresponde a maior condutibilidade trmica) e variam de forma semelhante com as variaes estruturais do metal.

PlasticidadeA plasticidade a capacidade de os materiais se deformarem sob a aco de foras exteriores, mantendo esta deformao aps cessar a aplicao dessas foras. Trata-se de uma das propriedades mais importantes dos metais. Ao nvel macroscpico, sabemos que os metais so formados por um conjunto de pequenos gros, e que cada gro um "edifcio cristalino" constitudo por um elevado nmero de clulas elementares. Assim, quanto maiores forem os gros, maior poder ser a amplitude do deslizamento desses mesmos gros e, consequentemente, a deformao plstica. Podemos ainda concluir que uma estrutura de gro grosso apresenta elevada plasticidade; uma estrutura de gro fino deforma-se plasticamente menos, mas apresenta melhores caractersticas de resistncia mecnica. Na prtica, verificamos que a plasticidade dos metais, assim como outras propriedades a que no nos referimos, no dependem apenas da estrutura cristalina, mas de outros factores em que o tamanho de gro apenas um exemplo. Plasticidade

DEFORMAES ELSTICAS / PLSTICAS

Deformao elsticaExistem dois conceitos fundamentais na deformao elstica dos materiais: a tenso e a deformao. A tenso a fora por unidade de rea, e a deformao mede o deslocamento de pontos de um corpo.M.T3.02 Ut.03



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Para cada fora exercida no corpo (carga), esta vai produzir uma deformao nesse corpo que reproduz um deslocamento de pontos desse corpo. A lei de Hooke descreve quantitativamente a relao linear entre a tenso e a deformao elstica para um simples ensaio de traco.

=E

(III.1)

E conhecido como o Mdulo de Young, a tenso e a deformao. Neste caso, o corpo est no domnio elstico, pois, se retirarmos a carga, ele volta sua forma inicial, ou seja, consegue eliminar a deformao que lhe foi dada por aquela carga.

Deformao PlsticaTal como anteriormente, quando aplicada uma carga ao material e este se deforma, mas de um modo plstico, ou seja, a carga foi tal que o corpo j no pde recuperar a forma inicial mesmo que se retire a carga, dizemos, ento, que o corpo passou do domnio elstico para o plstico. Possivelmente, se a carga for mantida, este entrar em tenso tal que pode ocorrer a rotura do material.

EncruamentoQuando a carga se faz sentir no material, este tende a resistir deformao, como o que acontece quando puxamos uma corda dos dois lados, onde h tendncia para recuperar sempre os pequenos passos dados a favor do lado oposto ao nosso. Chama-se a este efeito o Encruamento. A Fig. lll.11, ilustra graficamente, todos estes domnios: Resistncia traco, r Tenso de cedncia, c Alongamento de rotura, Zona elstica - at 0,2% Zona plstica - at rotura

Fig. lll.11 - Diagrama de um ensaio de traco uniaxialM.T3.02 Ut.03

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RESUMO

Todos os metais e ligas tm uma determinada estrutura cristalina diferente da forma como os tomos se dispem no espao. As clulas mais comuns nos metais so: cbica de faces centradas, hexagonal compacta e tetragonal centrada. A solidificao dos metais inicia-se por um processo de cristalizao - formao de pequenos cristais - os quais vo crescendo at que toda a estrutura solidifique. As ligas Fe-C solidificam segundo determinadas direces, formando estruturas ramificadas chamadas dendrites. As propriedades mais importantes dos metais puros so a elevada densidade, anisotropia, isotropia, estabilidade da ligao metlica, condutibilidade elctrica e trmica e a plasticidade.

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1. Quais so os tipos de clulas cristalinas mais comuns? 2. Quais so as diferentes formas de solidificao dos materiais metlicos? 3. Determine o nmero de coordenao de uma clula cristalina cbica centrada. 4. Imagine um determinado metal constitudo por uma rede cristalina em que os tomos apresentam isotropia aparente. Como se comporta este material do ponto de vista das suas propriedades fsicas?

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Ligas e Diagramas de Fases


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Distinguir solues slidas, agregados e compostos; Caracterizar liga metlica; Definir elementos de liga; Caracterizar a solidificao de uma liga em funo da sua constituio; Caracterizar os diferentes pontos de um diagrama de equilbrio de fases; Calcular, a partir de um diagrama de fases, a quantidade presente em cada fase; Reconhecer e caracterizar as diferentes ligas ferro-carbono; Identificar as diferenas entre um sistema de equilbrio estvel e metaestvel; Caracterizar elementos de liga/resistncia/dureza; Identificar os diferentes tipos de diagramas TTT.

TEMAS

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Ligas e diagramas de fases Diagramas de elementos de ligas binrias Introduo s ligas Ferro - Carbono Definio de liga Ferro - Carbono Diagramas de equilbrio das ligas Ferro - Carbono Diagramas TTT de arrefecimento isotrmico Diagramas TTT de arrefecimento contnuo Resumo Actividades / Avaliao


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LIGAS E DIAGRAMAS DE FASE

Ligas metlicas

A indstria mecnica geralmente no utiliza os metais puros, mas combinaes de uma base metlica com vrios elementos. A estas combinaes, feitas em percentagens convenientes, de acordo com a sua utilizao prtica, chamamos ligas metlicas. Uma liga metlica , portanto, uma mistura ntima de dois ou mais elementos, em que pelo menos um deles metlico. poro da liga, com as mesmas propriedades fsicas e qumicas, chama-se fase. As ligas tm propriedades metlicas e so normalmente obtidas pela fuso conjunta dos elementos que as constituem. Aos elementos que fazem parte de uma liga chamamos componentes destas. De acordo com o nmero de componentes, as ligas podem classificar-se em binrias (2 elementos), ternrias (3 elementos), etc. No estado lquido, os elementos de uma liga formam, geralmente, solues. Quando se verifica a solidificao da liga, os seus elementos podem associar-se de forma diversa, apresentando-se sob a forma de solues slidas, agregados e compostos qumicos.

Fase

Componentes de uma liga

Solues slidasUma soluo slida uma mistura homognea de dois ou mais componentes, cujos tomos formam uma rede cristalina. Ligas binrias No caso de uma liga binria, a soluo slida formada por um solvente e outro solvel, em que os respectivos tomos podem apresentar dois tipos de disposio: de substituio e intersticial. Na soluo slida de substituio, os tomos do componente solvel (de dimenso semelhante dos tomos do solvente) podem substituir os tomos do solvente na rede cristalina, como acontece na soluo slida do cobre no nquel, Fig. IV.1 (a).

Soluo slida de substituio

A

B

Fig. IV.1 - Solues slidas primrias: a) substitucionais, b) intersticiais.M.T3.02 Ut.04

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Na soluo slida intersticial, os tomos do componente solvel intercalam-se nos espaos inter-atmicos do componente solvente, como acontece na soluo slida de carbono no ferro, Fig. VI.1(b). Neste caso, acima de 910C, o ferro adquire o reticulado cbico de face centrada (ferro gama), que se caracteriza por um vazio no centro da malha. Os tomos de carbono, que so menores que os de ferro, penetram nesse vazio, originando a soluo intersticial de carbono no ferro. No tipo de clula cristalina de ferro alfa, o reticulado cbico centrado, com intervalos muito pequenos entre os tomos, o que torna muito difcil a insero dos tomos de carbono. Deste facto resulta a fraca solubilidade do carbono no ferro alfa.

AgregadosNeste caso, a estrutura da liga no homognea, mas constituda por uma mistura dos cristais componentes em propores bem definidas. Como exemplos, podemos indicar a perlite (ferrite + cementite) ou a ledeburite (soluo slida de carbono no ferro gama + cementite), que adiante estudaremos.

Compostos qumicosDurante o arrefecimento da liga, verificam-se reaces qumicas entre os componentes, dando origem a compostos qumicos. o caso da cementite (Fe3C).

DIAGRAMAS DE EQUILBRIO DE LIGAS BINRIAS

O arrefecimento de uma liga acompanhado de modificaes estruturais que temos todo o interesse em conhecer, j que as suas propriedades tecnolgicas esto estreitamente ligadas estrutura. Os diagramas de equilbrio permitem-nos formar uma ideia da estrutura das diversas ligas em funo da composio qumica e, a partir da, inferir quais as suas principais propriedades. Sabemos que a solidificao de um metal puro realizada a temperatura constante. Ao contrrio, a solidificao de uma liga verifica-se num intervalo de duas temperaturas. Essas temperaturas, de incio e fim da solidificao, variam com a composio da liga. Solidificao

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Na Fig. IV.2(a), podemos observar as "curvas" de arrefecimento correspondentes a diferentes percentagens dos componentes A e B de uma liga metlica. a) C a{100 b{80% A 50% A %A 20% B c{50% B3

b)

d{20% A e{100% B 80% B4 5

C tBus uid Liq3

4

5

Temperatura

8 2 7 1 6 2

8

s du oli 7 S

tA Tempo

1

6

B

A 100 0

80 20

50 50

20 80

0 % 100

Fig. IV.2 - Traado do diagrama de equilbrio de uma liga binria

No caso figurado, os dois componentes podem ser misturados em qualquer proporo (ligas de solubilidades ilimitada), mantendo-se intimamente ligados, tanto no estado lquido como no slido, formando uma soluo slida. Nota-se que as "curvas" a e b correspondem, respectivamente, aos metais A e B puros, em que a solidificao se realiza entre duas temperaturas. Por exemplo, para a liga b, constituda por 80% de metal A e 20% de B, a solidificao tem incio temperatura correspondente ao ponto 2 e termina temperatura correspondente ao ponto 6 (valores obtidos experimentalmente).

Processo geral do traado de um diagrama de equilbrioUnindo os vrios pontos correspondentes s temperaturas de incio da solidificao, resulta a linha 1' 2' 3' 4' 5' , da Fig. IV.2(b), que indica o incio da solidificao de todas as ligas representadas no diagrama. A esta linha chamamos linha de liquidus, acima da qual todas as ligas de A e B esto no estado lquido. Unindo os vrios pontos correspondentes s temperaturas de fim de solidificao, obtm-se a linha 1' 6' 7' 8' 5', que marca o fim da solidificao de todas as ligas representadas no diagrama. A esta linha chamamos linha de solidus, abaixo da qual todas as ligas de A e B se encontram no estado slido. Entre as linhas liquidus e solidus, as ligas encontram-se numa fase pastosa, onde existem lquido e slido.M.T3.02 Ut.04

Linha liquidus

Linha solidus

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A Fig. IV.2(b) representa o diagrama de equilbrio das ligas formadas pelos metais A e B. Pelo processo exposto, podemos traar o diagrama de equilbrio de qualquer sistema de ligas binrias. Note-se que a configurao dos diagramas de equilbrio depende do comportamento dos componentes de liga durante a solidificao que, como sabemos, pode originar solues slidas, agregados e compostos qumicos.Ligas cujos componentes so totalmente solveis, tanto no estado lquido como no estado slido. A liga, neste caso, corresponde soluo slida e o diagrama de equilbrio tem a configurao representada na Fig. IV.2(b). Para este grupo de ligas, vlido tudo o que foi dito quando se apresentou o processo geral de traado de um diagrama de equilbrio. Atente-se agora na Fig. IV.2, onde tA e tB representam, respectivamente, as temperaturas de fuso dos metais A e B. Vamos interpretar o diagrama de equilbrio representado, examinando, por exemplo, o processo de cristalizao da liga constituda por 70% de metal A e 30% de metal B. Para isso, tome-se a recta A que passa pela referida composio e que se chama linha de composio ou caracterstica.C tB A tXO tX Z1 tX1 tX2 X1 X Y

s idu iqu L

X2

s du oli S

Y1

tA Z2 Z1 A 100 94 83 80 70 60 B 0 6 17 20 30 40 Y1 40 60 Y 26 20 74 80 0 100

Fig. IV.3 - Diagrama de equilbrio de ligas binrias, em que os dois componentes so solveis, tanto no estado lquido como no estado slido

Acima de liquidus a liga est no estado lquido; o que acontece, por exemplo, temperatura txo. Quando a temperatura desce para tx', qual corresponde o ponto x na linha caracterstica, inicia-se o processo de cristalizao, formando-se os primeiros cristais da soluo slida do metal B no metal A.M.T3.02 Ut.04



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Clculo da composio da liga

Para se conhecer a composio desses primeiros cristais, tira-se uma horizontal, passando pelo ponto x, que intersecta a linha solidus no ponto y. Projectando esse ponto na recta das concentraes, obtemos o ponto y', correspondente composio procurada e que, para o caso presente, 26% de A e 74%de B. O lquido tem, a esta temperatura, a composio de 70% de A e 30% de B. Continuando o arrefecimento, vejamos o que se passa,

8006 metalorgia da soldadura - formando isq

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