tecnologia mecanica
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FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
TECNOLOGIA MECÂNICA
DIEGO ALEXANDRE DA ROSA
Novo Hamburgo, agosto de 2013.
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DIEGO ALEXANDRE DA ROSA
TECNOLOGIA MECÂNICA
Trabalho sobre a tecnologia dos metais, apresentado ao curso de Mecânica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha na disciplina de
Tecnologia Mecânica.
Novo Hamburgo, agosto de 2013.
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RESUMO
Após algum tempo de uso, as ferramentas de corte geralmente se
desgastam, apresentando trincas ou deformações na forma e nas propriedades.
Devido a este desgaste, as ferramentas ao serem colocadas em trabalho
apresentam um rendimento muito ruim e geram problemas como: aquecimento
excessivo, aumento do esforço de corte, o acabamento da peça fica ruim e ocorre o
aumento do tempo de confecção. Por esses motivos, as ferramentas precisam ser
restauradas. As ferramentas de corte requerem, principalmente, afiação.
Em geral, as grandes indústrias tem um setor de afiação de ferramentas
para restaurar o contorno e o perfil de corte das ferramentas desgastadas.
3
1.INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4
2 ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO DE REFERENCIA..........................................5
2.1 ÂNGULO DE POSIÇÃO X.....................................................................................5
2.2 ÂNGULO DE PONTA E.........................................................................................5
3. ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO DE CORTE.......................................................5
3.1 ÂNGULO DE INCLINAÇÃO ϒ...............................................................................5
4. ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO DE MEDIDA DA CUNHA CORTANTE.............6
4.1 ÂNGULO DE FOLGA d..........................................................................................6
4.2 ÂNGULO DE CUNHA β.........................................................................................6
4.3 ÂNGULO DE SAÍDA Y...........................................................................................6
5. RAIO DE PONTA rE.................................................................................................7
REFERÊNCIAS...........................................................................................................8
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1.INTRODUÇÃO
Para que seja realizada usinagem de qualquer peça, é necessária a
utilização de ferramentas. A seguir será exposta a tecnologia por trás da afiação de
ferramentas mono cortante, a identificação de seus ângulos e sua padronização que
é universal.
5
Produção do ferro - Matérias-primas da indústria Siderúrgica
A importância do ferro é notada desde os primórdios, onde o homem tinha
pouco conhecimento e assim mesmo conseguia trabalhar com o material,
analisando muito pouco suas características, mas já vendo diferença dos principais
materiais usados, para fazer armas e entre outras ferramentas e outros objetos que
necessitavam para sobreviver.
O ferro é um metal cuja utilização pelo homem é muito antiga. As
civilizações antigas de Assíria, Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e mais tarde de
Grécia e Roma já fabricavam, por processos primitivos.
A indústria siderúrgica surgiu no Brasil por volta dos anos de 1930, o aço
além da presença direta nos bens duráveis, é vital na construção de máquinas e
equipamentos que tornam possível à humanidade, gozar dos benefícios e
facilidades pelos bens propostos pelo aço.
O processo clássico e mais usado para a redução do minério de ferro é o do
alto-forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono de alto teor de carbono,
denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado líquido, é encaminhado a aciaria,
onde em fornos adequados, é transformado em aço. Vazado na forma de lingotes, e
logo após são submetidos à transformação mecânica, por intermédio de laminadores
e em outros produtos siderúrgicos importantes, como trilhos, chapas, barras e etc.
Produção do Ferro Gusa, Alto Forno
O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do
ferro. A partir, dos primeiros fornos, foram sendo acrescentadas mudanças técnicas,
que hoje em dia, os fornos produzem até 10.000 toneladas de ferro gusa em 24
horas.
Consiste essencialmente na redução dos óxidos dos minérios de ferro,
mediante o emprego de um redutor, que é um material à base de carbono, o carvão,
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que atua como combustível e, indiretamente, supridor do carbono para as ligas ferro-
carbono de alto carbono.
O principal produto do alto-forno, o ferro gusa, cuja utilização é feita nas
aciarias, para onde é encaminhado no estado líquido e transformado em aço; O ferro
gusa é ainda utilizado no estado sólido como principal matéria-prima das fundições
de ferro fundido.
O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores
variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre.
De um modo geral, a maioria dos ferros gusas possiveis de serem obtidos
em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composição.
Carbono - 3 a 4,5%
Silício - 0,5 a 4%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2%
Enxofre - 0,2% máx.
Fabricação do Aço
Sendo o ferro gusa, uma liga ferro-carbono em que o carbono e as
impurezas normais ( Si, Mn, P e S ) se encontram em teores elevados, a sua
transformação em aço, que é uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P e S,
correspondem a um processo de oxidação, até chegando a porcentagem desejada
de cada elemento.
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Processos Pneumáticos: Agente oxidante é ar ou oxigênio, o princípio básico
de qualquer dos processos pneumáticos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo,
lateralmente ou pelo topo, com uma lança.
Processo Siemens-Martin: Onde os agentes oxidantes são sólidos contendo
óxidos.
Processo de Redução Direta
Consiste em tratarem-se óxidos de ferro praticamente puros, a temperaturas
usualmente entre 950° a 1050°C, na presença de uma substância redutora,
resultando frequentemente uma massa escura e porosa, conhecida como ferro
esponja.
A redução é realizada, para eliminar o uso do alto-forno, produzindo aço
direto do minério, ou produzindo um material intermediário, a ser empregado como
sucata sintética nos fornos.
Separados em dois tipos de processos:
Que utilizam redutores sólidos: É o tratamento químico de redução de uma
substância mineral com o emprego do gás CO que tem origem numa substância
portadora do elemento carbono.
Que utilizam redutores Gasosos: É o tratamento químico de redução de uma
substância mineral, para a produção de um metal, por meio de um agente redutor
que não inclua os metais e o carbono sólido.
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Processo de fundição contínua
Consiste basicamente em colocar o material em estado líquido dentro de um
molde metálico, resfriado a água, que da passagem livre pelo fundo. Devido ao
contato com as paredes do molde, formando então uma casca sólida, de modo a ter-
se no interior uma cratera contendo aço líquido.
Produção de metais não ferrosos
Cobre: Os minérios de cobre podem ser sulfetados ou óxidos, além, mais
raramente, do próprio cobre nativo.
Geralmente, o teor do metal contido é muito baixo, de 1 a 3%.
A primeira fase do processo de extração do cobre é a '' concentração '' do
seu minério.
Este é peneirado, britado, moído e submetido ao processo de '' flotação '',
que consiste na adição de água, misturada com produtos químicos adequados. Essa
mistura molha somente as partículas chamadas estéreis, que se decantam,
formando um lodo. Por insuflação do ar, origina-se uma agitação e formam-se
pequenas bolhas de ar onde se fixam as partículas sólidas de sulfeto de cobre que
são levadas para a superfície, flutuando e formando uma espuma rica em cobre.
O material é novamente decantado, obtendo-se, por filtragem final, um
concentrado com teor de cobre entre 15 e 30%.
Depois esse concentrado é levado a um forno de revérbero, juntamente com
fundente, onde se forma a escória, obtendo um sulfeto de cobre e ferro, denominado
mate, logo após o cobre está pronto para ser trabalhado nas proporções desejadas.
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Alumínio: O minério de alumínio predominante é a bauxita, constituída por
um óxido hidratado, óxido de ferro, sílica, óxido de titânio e pequenas quantidades
de outros compostos.
A metalurgia do alumínio compreende basicamente duas fases;
Obtenção da alumina, a partir do minério;
Eletrólise da alumina.
Para obtermos o alumínio, primeiramente a bauxita é britada, moída em
moinhos de bolas.
Ficando um pó, onde esse pó é misturado em um tanque de mistura, com
uma solução de hidróxido de sódio, em um tanque de mistura, com uma solução de
hidróxido de sódio, em um tanque de mistura, com uma solução de hidróxido de
sódio, em um tanque de mistura, com uma solução de hidróxido de sódio,
bombeadas em um recipiente de alta pressão e elevadas temperatura, logo após
passa pelo processo de digestão, que resulta em um aluminato de sódio solúvel.
Completando o processo, a solução é tratada por sedimentação ou decantação e
por filtração sob pressão, de modo a separar os resíduos em suspensão, hidróxido
de ferro impuro contendo grande quantidade de sílica, outras impurezas e uma
pequena quantidade de alumina. Esta última é parcialmente recuperada por
lavagem.
Então é levado a um tanque de resfriamento, onde logo após podendo ser
trabalhado.
Zinco: Seu principal minério é a blenda, sua ganga é de natureza sílico-
calcária, podendo as vezes ter chumbo, sulfeto de cádmio e ferro.
Os minérios são inicialmente concentrados de modo a elevar-se o teor de
zinco para mais da metade, a concentração é realizada por gravidade ou por
flotação.
No processo piro metalúrgico, o minério concentrado sofre uma operação
chamada ustulação, à temperatura de aproximadamente 600°C, com o objetivo de
dê sulfurá-lo.
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Chumbo: Principal minério é a Galena, em que o teor de chumbo varia de 1
a 12% e as impurezas são mais frequentes de natureza silicosa, podem ocorrer a
presença de outros elementos metálicos no minério, como, zinco, prata, cobre,
antimônio, arsênio, bismuto, cádmio, estanho, germânio, ouro, selênio, etc.
De início, a concentração é dada por flotação, resultante em uma
concentração entre 40 e 80% de chumbo, 4 a 15% de zinco e 2 a 3% de cobre.
Logo após, ustulação e sinterização e sintetização, aonde vem como
resultado um aglomerado poroso, em condições adequadas para a operação
seguinte que é a redução; se faz em forno de cuba, onde se introduz o sinterizado,
coque e fundentes. O coque atua como fundente e redutor, a redução é direta e
indireta.
Ligas Ferrosas, Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono
As ligas ferrosas são divididas em dois grandes grupos;
Aços com teor de carbono até 0,2%
Ferros fundidos, com teores de carbono acima de 0,2%, e raramente
superior a 4%.
Aço carbono: Liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até cerca de
2,11% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes da fabricação.
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Aço-Liga: Contém outros elementos de liga ou apresenta elementos
residuais maiores que a porcentagem normal.
Ferro fundido cinzento: teor de carbono acima de 2% e silício presente em
teores de 1,2 a 3%.
Ferro fundido branco: liga ferro-carbono-silício com teor de silício menor que
o cinzento e que, devido ao silício em menor quantidade, resulta numa fratura de
coloração clara.
Ferro fundido mesclado: caracterizada por composição e condições de
fabricantes de tal ordem que resulta em uma coloração mista entre branca e
cinzenta.
Ferro fundido maleável: Apresenta grafita na forma de nódulos, devido a um
tratamento térmico especial, se submete a um ferro fundido branco.
Ferro Fundido Nodular: Apresenta grafita na forma esferoidal, resultante de
um tratamento realizado no material ainda no estado líquido.
Diagrama Ferro-carbono
É chamado de equilíbrio metaestável porque na realidade, ocorrem
modificações com o tempo, que afastam as reações do equilíbrio estável, com o uso
do diagrama, podemos agrupar aço e ferro fundido com tal forma:
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Aço eutetóide: teor de carbono é 0,77%
Aço Hipoeutetóide: entre 0 e 0,77%
Ferro fundido eutético: 4,30% teor de carbono
Ferro fundido Hipoeutético: Entre 2,11 e 4,30%
Ferro Fundido hipereutético: acima de 4,30%
DIAGRAMA TRANSFORMAÇÃO TEMPO-TEMPERATURA
Um dos fatores mais importantes que influenciam a posição das linhas de
transformação, ou seja, a própria transformação da austenita, é a velocidade de
resfriamento.
De fato, se aumentar a velocidade, haverá um afastamento das condições
de equilíbrio e as reações de transformação tendem a modificar-se , pois, com a
alteração do reticulado cristalino do ferro gama e ferro alfa, depende da
movimentação atômica, esta não se completa e, em consequência, os constituintes
normais resultantes da transformação da austenita, como a perlita, deixam de
formar-se ou até mesmo podem surgir novos constituintes estruturais.
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TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS DAS LIGAS FERRO-
CARBONO
As ligas ferro-carbono, antes de serem utilizadas na forma de peças, são, na
maioria dos casos, principalmente quando aplicadas em construção mecânica,
submetidas a tratamentos térmicos ou termoquímicos.
Visando modificar as propriedades das ligas, as propriedades mecânicas,
alivio de tensões e restabelecer estruturas.
Recozimento: Remover tensões devidas a tratamentos mecânicos, diminuir
a dureza, aumentar a ductilidade, regularizar a textura bruta de fusão, eliminar
efeitos de qualquer tratamento térmico ou mecânico que o aço já tenha sido
submetido.
Normalização: Os objetivos são iguais os do recozimento, porém, com a
diferença de que se procura obter uma granulação mais fina, e então, melhores
propriedades mecânicas.
Têmpera e Revenimento: Obter estrutura martensítica, o que exige
resfriamento rápido, de modo a evitar-se a transformação da austenita em seus
produtos normais.
Têmpera e revenimento dos ferros fundidos: Aumentar resistência mecânica,
a dureza e a resistência ao desgaste.
Coalescimento: Produção da estrutura esferoidita, assim tendo maior
capacidade de trabalho à frio, aplicado em aços de alto teor de carbono.
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Têmpera Superficial: Endurecimento superficial.
Tratamento isotérmico: Obtenção da estrutura bainita, que é uma estrutura
que, de modo geral, substitui uma estrutura martensítica revenida.
Austêmpera: Aquecimento do aço a temperatura acima da critica e
resfriamento rápido de modo a evitar transformação da austenita.
Martêmpera: Obter martensita, como na têmpera, porém é resfriado em
maior tempo.
Tratamentos termoquímicos: Endurecimento superficial do aço e modificação
parcial de composição química.
Cementação: É o tratamento mais empregado e mais antigo, introdução de
carbono na superfície de aços de baixo carbono.
AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA
É de certo modo, difícil determinar com precisão o que seja aço pra
construção mecânica, portanto, o aço não é empregado apenas na construção
mecânica, como igualmente utilizada em veículos de transporte, em aparelhos
elétricos, etc.
O número de tipos de aço é muito elevado, pois além dos aços
simplesmente ao carbono com teores variáveis de carbono, é muito grande a
quantidade de aços ligados, para facilitar sua seleção, associações técnicas criaram
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uma classificação de acordo com sua composição química, dando origem aos
sistemas SAE e AISI (americanos), DIN (Alemão), ABNT (brasileiro) etc.
ABNT foi baseado no sistema americano, onde os vários tipos de aço com
até 1% de carbono, com os elementos comuns, são indicados por 4 algarismos, os
dois últimos correspondem ao teor de carbono médio e os dois primeiros à presença
ou não de elementos de liga. Assim, toda vez que os dois primeiros algarismos
sejam 1 e 0, trata-se de aços-carbono; a mudança de um desses algarismos, implica
em um novo tipo de aço, exemplos:
1045 - aço-carbono com teor médio de 0,45% de carbono.
4420 - aços ao Ni-Cr-Mo com 1,85% Ni, 0,50% Cr, 0,25% Mo e 0,20% C.
A norma DIN adota critério diferente para classificar os aços, os aços
comuns são indicados pelo símbolo St ( Stahl = aço ) seguido de um algarismo que
corresponde ao valor mínimo de resistência à tração, St42, St35.
FERRO FUNDIDO, FERRO MALEÁVEL, FERRO NODULAR
As ligas ferro-carbono que possuem mais de 2% de carbono são
consideradas ferro-fundido.
Ferro Nodular: Também conhecida com ferro fundido dúctil e caracteriza-se
por excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade. O seu limite de
escoamento é mais elevado de que nos ferros fundidos cinzento e maleável, e
mesmo do que nos aços-carbono sem elementos de liga.
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Ferro Maleável: Resulta em um ferro fundido branco, de composição
adequada, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial de longa duração e
especial.
COBRE E SUAS LIGAS
Os metais não ferrosos ocupam uma posição de destaque na indústria e
representam um campo muito importante na engenharia, principalmente, nos setores
mecânicos, de transportes e elétricos.
Metal Cobre: É um metal vermelho-marrom, que apresenta alto ponto de
fusão e densidade correspondente a 8,9 g/cm³ ( a 20°C ), sendo após prata, o
melhor condutor de calor e eletricidade, tendo sua principal utilização na indústria
elétrica.
Ligas de cobre de baixo teor de liga
liga cobre-arsênio desoxidado com fósforo: Arsênio introduzido em teores
entre 0,013 e 0,050% com objetivo de melhorar as propriedades mecânicas, a
temperaturas acima da ambiente e aumentar resistência a corrosão.
Liga cobre-prata tenaz: Contendo pequena porcentagem de prata, confere
maior resistência mecânica e maior resistência a fluência.
Liga Cobre-Cromo: Com cerca de 0,8% de cromo, presta-se a tratamento de
endurecimento por precipitação, o qual eleva a resistência mecânica.
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Liga Cobre-Zircônio: Endurecida por precipitação, muito utilizada na indústria
elétrica.
Liga Cobre-Telúrio: Alta condutibilidade elétrica, boa usinabilidade,
construção elétrica, confecção de parafusos, porcas, pinos e similares.
Liga Cobre-Enxofre: Aplicação similar à do cobre-Telúrio.
Liga Cobre-Chumbo: Melhor usinabilidade, componentes elétricos,
conectores, chaves e motores.
Liga Cobre-Cádmio-Estanho: Molas, contatos elétricos, cabos condutores,
eletrodos para soldagem elétrica etc.
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
Existe uma grande variedade de ligas de alumínio, sendo difícil adotar uma
nomenclatura e simbologia, a ABNT possui um estágio experimental, ABNT-P-TB-
57.
O Alumínio apresenta boa condutibilidade térmica e elétrica, não magnético
e baixo peso são suas principais características, dividido em ligas trabalhadas e
ligas fundidas.
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Ligas trabalhadas possuem aplicações típicas, como recipientes para
armazenamentos, folhas, cabos elétricos, utensílios domésticos e culinários, telhas,
equipamentos químicos e processamentos de alimentos, refletores e etc.
As ligas fundidas possuem boa condutibilidade elétrica e térmica, resistência
à corrosão em trabalhos, tratamentos térmicos, confecção de mancais e buchas e
laminação.
CHUMBO, ESTANHO, ZINCO
Chumbo: Um dos metais mais antigos conhecidos pelo homem, apresenta
baixa resistência mecânica, muito mole, maleável e deformável, resistente à
corrosão, sua cor é cinza-azulada, devido à uma repentina formação de película
superficial de óxido e carbonato.
Estanho: Mole, dúctil e maleável, baixa resistência mecânica e elevada
resistência a corrosão, empregado na forma de folhas, chapas e fios laminados e
como elemento base de certas ligas, como algumas para mancais e soldas.
Zinco: Alta resistência à corrosão, porque ao ar úmido produz
espontaneamente uma película protetora de hidrocarbonato; é muito maleável e
pode ser laminado em chapas e estirado em fios, possui boa usinabilidade e
coloração branca azulada.
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OUTROS METAIS E LIGAS NÃO FERROSOS
Níquel: A principal característica é a elevada resistência à corrosão. Isto faz
do níquel um metal adequado para indústrias químicas e de alimentos.
Bastante usado como revestimento anticorrosivo de outros metais, por meio
de galvanoplastia. Pode ser facilmente deformado a frio e soldado. Uma importante
aplicação é como material de resistências elétricas, neste caso em forma de liga
com cobre e manganês ou outros metais.
Ligas de Níquel: Em geral, a presença de níquel em ligas proporciona ou
melhora características como: resistência à corrosão, resistência em altas
temperaturas, propriedades magnéticas e expansão térmica. Nos parágrafos
seguintes, alguns tipos mais importantes.
Magnésio: É um dos metais mais leves, com massa específica de 1,74
kg/dm3, inferior à do alumínio. Entretanto, a resistência mecânica é relativamente
baixa e é comum o uso na forma de ligas com outros metais como alumínio,
manganês, zinco. Elas têm aplicações especiais, nas quais o baixo peso e alta
precisão dimensional são importantes.
A tabela a seguir dá o padrão tradicional de codificação de ligas de
magnésio segundo ASTM.
Primeira Segunda Terceira Quarta parte
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parte parte parte
Duas letras
que indicam os
principais elementos
de liga em ordem
decrescente de
teores. Se esses
são iguais, a ordem
é alfabética.
A - alumínio
B - bismuto
C - cobre
D - cádmio
E - terra rara
F - ferro
G - magnésio
H - tório
K - zircônio
L - lítio
M - manganês
N - níquel
P - chumbo
Q - prata
R - cromo
S - silício
T - estanho
W - ítrio
Y - antimônio
Z – zinco
Dois dígitos
que indicam os
percentuais
arredondados dos
principais elementos
na mesma ordem da
primeira parte.
Letras do
alfabeto que servem
para distinção de
ligas com os
mesmos
percentuais dos
mesmos elementos
principais, à medida
que elas se tornam
padrões usuais e
registrados.
Indica o tipo
de tratamento
térmico.
F - conforme
fabricado
O - recozido
H10 - encruado leve
H11 - encruado leve
H23 - encruado e
recozido
parcialmente
H24 - idem
H26 - idem
T4 - solubilizado
T5 - envelhecido
artificialmente
T6 - solubilizado e
envelhecido
artificialmente
T8 - solubilizado,
trabalhado a frio e
envelhecido
artificialmente
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Exemplo: AZ81A-T4 indica alumínio e zinco com 8% e 1% respectivamente.
A é a ordem de registro e T4 significa tratado por solubilização.
A resistência à corrosão não é das melhores devido ao elevado potencial
eletronegativo. Muitas vezes há necessidade de revestimentos anticorrosivos. Peças
podem ser usinadas, mas com cuidados especiais porque os cavacos incendeiam-
se facilmente.
A produção mundial de magnésio em 2003 foi da ordem de 496.000
toneladas. China é o maior produtor. Grosso modo, pode-se dizer que a metade é
usada em ligas com alumínio. Há outras aplicações importantes, como
dessulfurização de aços, produção de ferros fundidos, reagentes químicos, etc.
Titânio: O metal apresenta uma favorável combinação de elevada resistência
mecânica e térmica, baixa massa específica e alta resistência à corrosão. É usado
em aplicações críticas, onde todas ou algumas dessas propriedades são
necessárias. A principal contrapartida é o alto custo.
Alguns exemplos de aplicação do titânio e suas ligas: construção
aeroespacial turbina a gás (partes fixas e móveis), reatores nucleares, próteses
médicas e implantes dentários, processos químicos e de alimentos, trocadores de
calor para refino de petróleo, etc.
A massa específica é cerca de 4500 kg/m3 e a resistência à ruptura varia de
aproximadamente 480 MPa para alguns tipos comercialmente puros até cerca de
1100 MPa para algumas ligas estruturais ou mesmo 1700 MPa para algumas ligas
especiais.
O titânio puro tem estrutura hexagonal (chamada α), que se transforma em β
(cúbica de face centrada) acima de 882°C. A adição de elementos de liga pode
mudar essa temperatura de transformação e, em vários casos, provocar a retenção
da variedade β sob temperatura ambiente, resultando em ligas com ambas as
variedades ou somente β.
22
Ligas tipo α: nome dado ao titânio comercialmente puro, podendo ter
pequena proporção da variedade beta, dependendo da concentração de impurezas
que estabilizam β, como o ferro. Não aceitam tratamento térmico, mas a adição de
cobre permite o tratamento de envelhecimento.
Ligas tipo α-β: alguns elementos de liga (exemplos: ferro, cromo,
molibdênio, vanádio) atuam como estabilizadores da variedade β e a adição dos
mesmos produz ligas de média para alta resistência (600 a 1250 MPa). Podem ser
tratadas mecânica e termicamente, resultando em ligas com propriedades
adequadas para diversas aplicações.
Ligas tipo β: contém proporções de elementos estabilizadores de β para
formar ligas com apenas essa variedade. O trabalho a frio é mais fácil em relação às
anteriores, podem receber tratamento térmico para elevadas resistências e a
resistência à corrosão é melhor que a do metal comercialmente puro.
Alguns exemplos de ligas de acordo com a resistência mecânica.
• Baixa (500 MPa): metal comercialmente puro.
• Média (500-900 MPa): Ti 2,5%Cu.
• Média-alta (900-1000 MPa): Ti 6%Al 2%Sn 4%Zr 2%Mo.
• Alta (1000-1200 MPa): Ti 6%Al 6%V 2.5%Sn.
• Muito alta (>1200 MPa): Ti 10%V 2%Fe 3%Al.
MATERIAIS PARA FERRAMENTAS E MATRIZES
Classificação e seleção dos aços para ferramentas e matrizes:
De acordo com o “American Iron and Steel Institute AISI” os aços para
ferramentas e matrizes podem ser classificados em sete categorias principais:
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- Aços temperáveis em água, identificados pela letra W;
- Aços resistentes ao choque, identificados pela letra S;
- Aços-ferramenta para moldes, identificados pela letra P;
- Aços-ferramenta para fins especiais identificados pelas letras L e F ou sem
identificação.
Estes aços podem ser subdivididos nos seguintes grupos:
- aços-ferramenta “matriz”;
- aços ao tungstênio para acabamento;
- aços de alto carbono e baixo teor de liga;
- aços semi-rápidos;
- aços grafíticos;
- Aços-ferramenta para trabalhos a frio, identificados pelas letras O, A, D;
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- Aços-ferramenta para trabalho a quente, identificados pela letra H;
- Aços rápidos, identificados pelas T e M.
As aplicações podem ser agrupadas em cinco tipos básicos de operação:
- ferramentas de conformação, a quente ou a frio, incluindo aplicações tais
como blocos e insertos de matrizes, ferramentas para forjamento a quente,
ferramentas para prensagem e estampagem profunda, matrizes e punções para
recalque a frio, ferramentas para extrusão e aplicações semelhantes. Devido ao fato
deles serem expostos a elevadas tensões por curtos períodos de tempo durante a
operação, seus característicos principais devem ser, além da resistência ao
desgaste, tenacidade e usinabilidade. As aplicações em serviço de conformação a
quente devem caracterizar-se igualmente por dureza a quente;
- ferramenta de corte, incluindo lâminas de tesoura, matrizes de corte em
forjamento e recalque de rebarbação, matrizes para recorde de discos, punções e
aplicações semelhantes. Estão também sujeitas a altas tensões e exigem além de
resistência ao desgaste, alta tenacidade. Exigências secundárias é segurança e
mínimo empenamento na têmpera;
- ferramentas para usinagem, incluindo todas as ferramentas empregadas
em máquinas operatrizes, as quais exigem alta dureza à temperatura ambiente e
dureza a quente, além de resistência ao desgaste. Tenacidade é um característico
secundário;
- ferramentas para moldes, incluindo aplicações tais como moldes para
plásticos, moldes para fundição sob pressão de metais e ligas de zinco, alumínio e
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cobre e ferramentas para metalurgia do pó (compactação), briquetagem de tijolos e
de materiais cerâmicos;
- aplicações miscelâneas, onde se exige alta resistência ao desgaste, como
discos para máquinas de moldar por projeção centrífuga de areia e discos de
esmeris, ou alta tenacidade, como peças de percussão, ou alta dureza, como
calibres, etc.
Para selecionar um aço para ferramenta deve-se considerar, portanto, as
aplicações para as quais as ferramentas são destinadas e, para cada caso, as
propriedades de maior ou menor importância.
Para a maioria das aplicações, os característicos de maior importância são
resistência ao desgaste, tenacidade e dureza a quente.
Outras propriedades, como dureza de trabalho (relacionada com o limite de
escoamento ou limite de elasticidade do aço), profundidade de endurecimento
(relacionado com o característico de tensões internas do aço) e tamanho de grão
são considerados de menor importância para certas aplicações, mas para outros
podem ser relevantes.
Para facilitar a seleção de cada aço destinado a uma aplicação determinada,
estabeleceu-se um sistema numérico de 1 (baixo) a 9 (alto) que permite qualificar o
aço em função dos característicos considerados de maior importância, ou seja,
resistência ao desgaste, tenacidade e dureza a quente.
Os característicos de menor importância (relativa) são relacionados em
números correspondentes à dureza Rockwell C, tamanho de grão Shepherd e
profundidade de endurecimento, neste caso utilizando as letras S (“shallow”= pouco
profunda), M (“medium”= profundidade média) e D (“deep” – grande profundidade).
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A Tabela a seguir indica em função dos fatos acima expostos, o primeiro
passo para a seleção de aços para ferramentas e matrizes.
Tabela – Primeiro passo para a seleção dos aços para ferramentas e
matrizes:
N
atureza
do
serviço
R
equisitos
principais
Re
quisitos
secundári
os (podem
ser
necessário
s)
C
ondiçõe
s de
serviço
Característicos
desejados
G
rupo
potenc
ial
Class
e do
aço
R
esistênci
a ao
desgast
e
T
enacida
de
D
urez
a a
quen
te
U
sinagem
R
esistência
ao
desgaste;
resistênci
a ao
amolecim
ento pelo
calor
Fa
cilidade de
retificar;
Te
nacidade
C
ortes
leves,
baixas
velocida
des
4
a 8
1
a 3
1
a 6
1
00,
340,
600
C
ortes
pesados
, altas
velocida
des
7
a 9
1
a 3
8
a 9
6
00
C
orte
R
esistência
ao
desgaste;
Se
gurança e
pequeno
empenam
P
edaço
fino;
percurso
4
a 6
1
a 7
(
a)
1
00,
410,
420
27
te
nacidade
ento na
têmpera
curto
P
edaço
espesso
,
percurso
longo
6
a 9
1
a 7
(
a)
4
20,
430,
440,
600
P
edaço
pesado,
percurso
curto
2
a 4
7
a 9
(
a)
1
00,
310,
520
P
edaço
pesado,
percurso
longo
3
a 5
7
a 9
(
a)
3
20,
520
C
onformaç
ão
R
esistência
ao
desgaste
Us
inabilidade
e
tenacidad
e
A
frio;
percurso
curto
4
a 6
1
a 7
(
a)
1
00,
410,
420
A
frio;
percurso
longo
7
a 9
1
a 4
(
a)
4
30,
440,
600
A
quente,
percurso
curto
3
a 6
6
a 9
5
a 7
1
00,
211,
230,
520,
28
530
A
quente;
percurso
longo
4
a 6
6
a 9
7
a 9
5
30,
540
E
stirament
o
R
esistência
ao
desgaste
Pe
queno
empenam
ento na
têmpera
P
ercurso
curto
4
a 6
1
a 7
(
a)
1
00,
410,
420
P
ercurso
longo
7
a 9
1
a 4
(
a)
3
40,
430,
440,
600
E
xtrusão
R
esistência
ao
amolecim
ento pelo
calor,
tenacidad
e e
resistênci
a ao
desgaste
- A
frio
4
a 9
1
7
(
a)
1
00,
340,
400,
540,
600,
500
A
quente
3
6
6
a 9
5
a 7
5
00
L
aminação
R
esistência
ao
- P
ercurso
4
a 6
1
a 7
(
a)
1
00,
410,
29
desgaste curto 420
P
ercurso
longo
7
a 9
1
a 4
(
a)
3
40,
430,
440,
600
P
ercussão
Te
nacidade
Re
sistência
ao
desgaste
P
ercurso
curto
2
a 4
7
a 9
(
a)
1
00,
310,
320
(a) Importante somente no trabalho a quente, como nos exemplos de
conformação, extrusão ou na usinagem.
Carbonetos Sinterizados (Metal Duro): As ferramentas deste material,
vulgarmente designado por metal duro e obtido por pulverometalurgia, são as mais
usadas na indústria, devido às diferentes combinações de dureza a frio e a quente,
resistência ao desgaste e tenacidade, possíveis de obter pela variação da sua
composição química. Segundo a ISO (International Organization for
Standardization), os carbonetos sinterizados ou metal duro dividem-se em três
grandes grupos:
Grupo P: adequados à maquinagem de metais e ligas ferrosas que
apresentam aparas longas e dúcteis (apara contínua plástica);
Grupo M: grupo de transição, adequa-se à maquinagem de metais e ligas
ferrosas que apresentam aparas longas ou curtas;
30
Grupo K: adequados à maquinagem de metais e ligas ferrosas que
apresentam aparas fragmentadas e materiais não metálicos.
Para além dos nomeados, existe outro grupo de carbonetos sinterizados:
Carbonetos sinterizados revestidos: consistem num substrato com a
tenacidade adequada em geral à base de WC (carboneto de Tungsténio) e Co
(Cobalto).
31
Insertos de Metal Duro (fonte: Korloy, 2009).
32
Cermets: Tratam-se de materiais formados por aglomerados cerâmicos
numa matriz metálica, normalmente compostos refratários não metálicos, como
carboneto de Titânio (TiC) e nitreto de Titânio (TiN), e também carbonetos de
Tungsténio (WC), de Tântalo (TaC) e Nióbio (NbC), aglomerados por uma fase
metálica de menor ponto de fusão (Cobalto, Níquel ou Molibdénio).
Cerâmicos: Vulgarmente os materiais usados são o óxido
de Alumínio (Al2O3), alumina branca, prensada a frio e uma mistura de óxido de
Alumínio (Al2O3) com carboneto de Titânio (TiC) – alumina preta, prensada a quente.
Podem então dividir-se em cerâmicos:
À base de alumina: são a maioria;
À base de nitreto de Silício;
Ligas Fundidas (Estelites): Obtêm-se pela fusão de uma liga composta
principalmente por Cobalto (38% a 53%), Crómio (30% a 32%), Tungsténio (10% a
33
18%) e ainda Carbono com percentagem inferior a 1.5%, contendo ainda algum
Manganês e Azoto.
Ultra Duros: Os materiais ultra duros são caracterizados, tal como o nome
indica, por durezas extremamente elevadas, devidas à forte covalência das suas
estruturas e simetria da rede cristalina. Os materiais ultra duros mais significativos
são:
Nitreto de Bório cúbico (CBN);
Diamante sintético policristalino (PCD).
Materiais resistentes a corrosão e ao calor
Introdução
Os aços resistentes ao calor, também chamados “aços refratários”, são
aqueles que quando expostos de modo contínuo ou intermitente, em meios de várias
naturezas (gasosos ou líquidos), à ação de temperaturas elevadas, apresentam
capacidade de suportarem aquelas condições de serviços, química e
mecanicamente.
Os principais campos de aplicação desses materiais situam-se nas
indústrias de refino do petróleo e química, em equipamentos para aquecimento
(fornos, estufas, etc.), em turbinas a gás e a vapor, na indústria automobilística,
aeronáuticas e semelhantes.
Nesses e noutros setores de engenharia, em temperaturas superiores a do
ambiente – acima de 400°C, por exemplo – é obvio que as propriedades normais
que os metais apresentam começam a perder seu significado. Não só as condições
34
de corrosão e oxidação são agravadas, como também se verifica apreciável queda
na rigidez do material traduzida por uma deformação plástica acentuada sob ação
de um esforço mecânico. Este fenômeno de deformação lenta sob a ação de uma
carga constante, aplicada durante longo período de tempo, a uma temperatura
superior à ambiente, chama-se, como se sabe, “fluência” (“Creep”, na literatura
técnica em língua inglesa).
A resistência à fluência, juntamente com a resistência à corrosão e à
oxidação a altas temperaturas, é, portanto, dois dos requisitos exigidos dos aços
refratários. Outros característicos que adquirem importância maior nesses tipos de
materiais são a expansão térmica, a estabilidade estrutural e a fadiga.
É essencial, pois, o estudo e o conhecimento perfeito de todos esses
requisitos para a escolha adequada do tipo de aço destinado a serviço a altas
temperaturas.
Resistências à corrosão e à oxidação a altas temperaturas
A propriedade que certos metais e ligas possuem de resistirem à corrosão e
à oxidação a temperaturas diferentes da ambiente deve-se à formação de uma
camada de óxido sobre a superfície do metal. Da natureza desse óxido, sua
aderência ao metal-base, sua permeabilidade, sua composição química, sua
estrutura, seu ponto de fusão e seu ponto de volatilização, é que depende a maior
ou menor capacidade do metal resistir à oxidação e ao ataque do meio
circunvizinho.
A formação dessa camada de óxido é condicionada pela tensão de
decomposição do óxido; se a tensão for superior à pressão parcial do oxigênio do ar,
não se verifica oxidação; os metais que assim se comportam são chamados nobres.
No caso da tensão de decomposição ser inferior à pressão parcial do oxigênio do ar,
surge duas possibilidades: se o óxido for volátil, a superfície metálica fica exposta ao
meio circunvizinho e verifica-se a destruição do metal; é o caso do molibdênio e de
outros metais que são facilmente oxidados e atacados a altas temperaturas.
Geralmente, o óxido formado não é volátil; é o caso do ferro, níquel, cromo,
35
alumínio, silício etc., cujos óxidos possuem uma tensão de decomposição fraca,
mesmo a temperaturas elevadas.
Formada a camada de óxido sobre a superfície metálica, os fenômenos que
se seguem dependem das propriedades físicas e da textura desse óxido, sobretudo
dos volumes relativos do óxido e do metal que o originou (254). Quando o volume do
óxido formado for inferior ao do metal que o originou, a camada de óxido será
insuficiente para recobrir o metal e se apresentará porosa, de modo a permitir que o
oxigênio renove o ataque ao metal e que a reação de oxidação prossiga. No caso do
volume de óxido ser maior do que o do metal atacado, a camada de óxido formada
será compacta, sem apresentar descontinuidade e a oxidação, devida ao ataque
direto do oxigênio sobre o metal, não se produzirá mais. Entre os metais
pertencentes ao grupo cujos óxidos têm a propriedade de se apresentarem em
maior volume do que o metal que os originou, situam-se o alumínio, o cromo, o
cobalto, o cobre, o ferro, o manganês, o níquel, o silício, o tungstênio e outros. A
maioria desses elementos está presente, como se verá, nos aços refratários.
Entretanto, não é suficiente que a camada de óxido formada tenha os
característicos acima, de compacidade e sem descontinuidade. De fato, a reação de
oxidação pode ainda ocorrer a uma certa profundidade da camada oxidada, por
difusão seja de átomos metálicos, seja de oxigênio através de camada de óxido.
Veja-se o caso particular do ferro.
Admitem-se, para a explicação do mecanismo de oxidação do ferro, que se
verifiquem duas difusões em sentidos contrários: difusão o oxigênio para o interior e
difusão do ferro para a periferia. No caso do ferro, supõe-se que este último tipo de
difusão – do ferro em direção à periferia – seja o mais importante e admite-se que
ele tenha lugar com o ferro no estado de íons e que os íons metálicos positivos,
muito menos volumosos que os íons de oxigênio, possam deslocar-se com muito
maior facilidade através do reticulado cristalino. Por outro lado, para que ocorra a
difusão dos íons metálicos através da camada de óxido, é necessário que esta
possa ser susceptível de apresentar diversas composições químicas. É o que ocorre
com os óxidos de ferro, de cobre, de níquel e de cobalto.
36
No caso particular da oxidação de ferro, a temperaturas acima de 550°C, no
ar, ou no oxigênio, à pressão atmosférica, há formação de três camadas oxidadas,
cujo teor em oxigênio diminui da superfície em direção ao metal: uma camada mais
externa de Fe2O3, uma camada intermediária de Fe3O4 e a camada mais interna,
adjacente ao ferro de FeO. No caso, pois, do ferro ou de metais cuja camada de
óxido pode apresentar teor variável de oxigênio conforme a profundidade, a reação
de oxidação prossegue devido à possibilidade de reação de difusão do oxigênio e do
metal.
Há outros elementos, entretanto, para os quais a camada oxidada formada é
realmente impermeável porque o óxido constituído apresenta uma única composição
em toda a extensão da camada, tornando difícil a difusão do oxigênio ou do metal e
sendo portanto de natureza realmente protetora. É o caso dos óxidos siO2, Cr2O3 e
Al2O3. No silício, cromo e alumínio, uma vez formados os seus óxidos, a oxidação é
interrompida na formação da primeira camada oxidada.
Nas ligas metálicas – que para aplicações de resistência à oxidação a altas
temperaturas são a base de ferro ou níquel ou de ambos – a qualidade de camada
oxidada depende dos elementos de liga adicionados e do seu teor. Assim, por
exemplo, quando ao ferro se adicionam pequenas quantidades de cromo, níquel,
tungstênio, silício, vanádio e manganês, a estrutura da camada oxidada apresenta-
se idêntica a que se forma no caso do ferro simplesmente: isto é, há três camadas
de óxido de ferro com teores diferentes de oxigênio, notando-se, entretanto, uma
grande heterogeneidade na composição química dessas camadas, os elementos
adicionados, com exceção do manganês, concentrando-se grandemente na camada
contígua ao metal (essa concentração explica-se pelo fato desses elementos de liga
serem menos solúveis nos óxidos de ferro do que o ferro e se difundem mais
dificilmente).
Quando se adiciona ao ferro elementos de liga oxidáveis – cromo, silício ou
alumínio, por exemplo – em teores crescentes, verifica-se profunda alteração no
mecanismo da oxidação. A concentração na camada mais interna aumenta
continuamente até que a camada oxidada, em vez de ser constituída de três
camadas com teores diferentes de oxigênio, é formada de uma única, composta
quase exclusivamente do óxido do elemento adicionado, que, se de natureza
37
refratária, constitui uma proteção completa e permanente, devido à sua velocidade
de difusão.
Aços inoxidáveis: Os aços inoxidáveis são divididos, de acordo com a sua
microestrutura, sendo as principais: as dos aços Austenísticos, Ferríticos e
Martensíticos.
Austeníticos: São ligas não magnéticas de ferro-cromo-níquel contendo
tipicamente 8% de níquel, com baixo teor de carbono. Apresentam boas
propriedades mecânicas, boa soldabilidade, trabalhabilidade a frio e resistência à
corrosão. Podem ser endurecidos por deformação e, neste estado, são ligeiramente
magnéticos. As adições de elementos de liga como o molibdênio e a redução do teor
do carbono melhoram sua resistência à corrosão.
Ferríticos: São ligas ferro-cromo contendo de 12 a 17% de cromo com baixo
teor de carbono. Não são endurecíveis por tratamento térmico. São magnéticos e
apresentam boa resistência à corrosão em meios menos agressivos, boa dutilidade,
razoável soldabilidade. O trabalho a frio os endurece moderadamente.
Martensíticos: São ligas de ferro-cromo contendo de 12 a 14% de cromo e
com alto teor de carbono. São endurecíveis por tratamentos térmicos e magnéticos.
Quando temperados são muito duros e pouco dúteis, e é nesta condição que são
resistentes à corrosão. Quando recozidos não apresentam bom comportamento
frente à corrosão atmosférica.
Aços resistentes ao calor ou refratários: Em algumas aplicações onde não
importam a resistência à oxidação e à corrosão, pode-se usar aço-carbono de baixo
teor de carbono (0,10-0,20) até temperaturas da ordem de 480-500°C. Nesses aços,
o limite de resistência à tração que é de cerca de 43,0 kgf/mm2 (420 MPa) cai a
38
mais de 25,0 kgf/mm2 (250 MPa) a 540°C e 6,0-6,5 kgf/mm2, (60-65 MPa), quando
a temperatura é de cerca de 760°C (254), o que comprova a limitação do seu
emprego a temperaturas superiores a 500°C.
A introdução de cromo e molibdênio em teores baixos, mantido ainda o
carbono baixo, melhora as propriedades de resistência ao calor, ainda que não se
tenha qualquer melhora apreciável no que diz respeito aos característicos de
resistência à oxidação e à corrosão a temperaturas superiores à ambiente. A
introdução de molibdênio somente, em teores de 0,45-0,65% num aço com 0,10-
0,20% de carbono e 0,30-0,60% de manganês, pode produzir as seguintes
alterações em relação à resistência à tração (258):
- à temperatura ambiente: 44,00 kgf/mm2 (MPa)
- à temperatura de 540°C: 35,00 kgf/mm2 (340 MPa)
- à temperatura de 760°C: 8,00 kgf/mm2 (80 MPa)
Na realidade, a melhora da resistência à tração não é apreciável; verifica-se,
entretanto, que a resistência à fluência pode apresentar um valor aproximadamente
duas vezes superior à que é apresentada pelo aço-carbono comum.
Os aços-liga de baixo teor em liga não podem ser considerados a rigor aços
refratários, justamente devido à falta de resistência satisfatória à oxidação e à
corrosão. Seu uso limita-se, portanto, em peças em contato com vapor
superaquecido, como tubos de caldeiras a vapor, tubos de superaquecedores e
aplicações semelhantes.
O alongamento mais elevado, medido longitudinalmente equivale a 35%
em 50 mm e corresponde ao aço tipo AS-106 A. Nesse mesmo aço, o alongamento,
39
medido transversalmente, equivale a 25%. O valor mais baixo de alongamento
equivale a 16% e corresponde aos aços AS-533B2 e AS-517F.
Tabela – Composição química de aços utilizáveis a temperaturas
elevadas
E
specifica
ção
ASME*
Composição, %
C M
n
S
i
P
ma
x.
S
m
ax.
C
r
N
i
M
o
O
utros
S
A-106 A
0
,25
(a)
0
,27/0,
93
0
,15
(b)
0
,04
8
0
,05
8
- - - -
S
A-106 B
0
,30
(a)
0
,29/1,
06
0
,10
(b)
0
,04
8
0
,05
8
- - - -
S
A-185 A
0
,17
(a)
0
,90
(b)
- 0
,03
5
0
,04
5
- - - 0
,25 Cu
max.
S
A-299
0
,28
(a)
0
,90/1,
40
0
,15/0,
30
0
,03
5
0
,04
0
- - - -
S
A-204 A
0
,18
(a)
0
,90
(a)
0
,15/0,
30
0
,03
5
0
,04
0
- - 0
,45/0,
60
-
S
A-302 A
0
,20
0
,95/1,
0
,15/0,
0
,03
0
,04
- - 0
,45/0,
-
40
(a) 30 30 5 0 60
S
A-533 B2
0
,25
(a)
1
,15/1,
50
0
,15/0,
30
0
,03
5
0
,04
0
- 0
,40/0,
70
0
,45/0,
60
0
,10 Cu
max.
S
A-517 F
0
,10/0,
20
0
,60/1,
00
0
,15/0,
35
0
,03
5
0
,04
0
0
,40/0,6
5
0
,70/1,
00
0
,40/0,
60
0
,002/0,0
06B
0
,15/0,50
Cu
0
,03/0,08
V
S
A-335
P12
0
,15
(a)
0
,30/0,
61
0
,50
(a)
0
,04
5
0
,04
5
0
,50/1,2
5
- 0
,44/0,
65
-
S
A-
217WC6
0
,20
(a)
0
,50/0,
80
0
,60
(a)
0
,04
0
0
,04
5
1
,00/1,5
0
- 0
,45/0,
65
-
S
A-387Gr-
22-1
0
,15
(a)
0
,30/0,
60
0
,50
(a)
0
,03
5
0
,03
5
2
,00/2,5
0
- 0
,90/1,
10
-
S
A-
387Gr5-2
0
,15
(a)
0
,30/0,
60
0
,50
(a)
0
,04
0
0
,03
0
4
,00/6,0
0
- 0
,45/0,
65
-
S
A-217C12
0
,02
(a)
0
,35/0,
65
1
,00
(a)
0
,04
0
0
,04
5
8
,00/10,
00
- 0
,90/1,
30
-
41
*American Society of Mechanical Engineers; (a) máximo; (b) mínimo.
Tabela – Propriedades mecânicas à temperatura ambiente de aços
utilizáveis a temperaturas elevadas
Espec
ificação
ASME
Limite de
resistência à
tração
Limite de
escoamento
Along
amento
mínimo em50
mm, %
E
stricção
%
k
gf/mm2
M
Pa
k
gf/mm2
M
Pa
SA-
106 A
3
3,6 (min)
3
30
21 2
07
35
(a), 25 (b)
-
SA-
106 B
4
2 (min)
4
15
24
,5
2
41
30(a),
16,5(b)
-
SA-
285 A
3
1,5-38,5
3
10-
380
16
,8
1
65
27
(a), 30
-
SA-
299
5
2,5-63,0
5
15-
620
29
,4
2
90
16 (c) -
SA-
204 A
4
5,5-53,9
4
45-
530
25
,9
2
55
19
(a), 23
-
SA-
302 A
5
2,5-66,5
5
15-
31 3 15 (c), -
42
655 ,5 10 19
SA-
533 B2
6
3,0-80,5
6
20-
790
49
,0
4
75
16 -
SA-
517 F
8
0,5-94,5
7
95-
930
70
,0
6
89
16 3
5-45
SA-
335P12
4
2 (min)
4
15
21
,0
2
07
30
(a), 20(b)
-
SA-
217WC6
4
9-63
4
85-
620
28
,0
2
75
20 3
5
SA-
387Gr22-1
4
2-59,5
4
15-
585
21
,0
2
07
30(c),
45
4
0
SA-
387Gr5-2
5
2,5-70
5
15-
690
31
,5
3
10
18(c),
22
4
5
SA-
217C12
6
3-80,5
6
20-
795
42
,0
4
15
18 3
5
(a) longitudinal; (b) transversal; (c) alongamento em 200 m
Como se vê, esses aços são todos de baixo carbono e baixo teor de
elementos de liga, com exceção do último – SA-217C12, em que o cromo se situa
na faixa, 8,00-10,00% e que já pode ser considerado aço refratário.
43
A forma segundo a qual esses aços podem ser produzidos varia, como se
nota abaixo:
- SA-106 A, SA-106 B – tubos de aço-carbono sem costura;
- SA-285, SA-299, Sa-204-A, SA-302 A, SA-533B2 e SA-517F – chapas;
-SA-335P12 – tubo de aço ferrítico para serviço a alta temperatura;
-SA-217WC6 – peças fundidas;
- SA-387Gr22 e SA-387Gr5 – chapas;
- SA-217C12 – peças fundidas.
A partir de 5-6% de cromo, esse elemento sozinho ou juntamente com o
níquel, os aços tornam-se propriamente refratários. Assim sendo, esses tipos de
materiais podem ser reunidos em dois grupos principais:
- aço-cromo, com cromo que pode variar de 5% até cerca de 30%;
-aços-cromo-níquel, do tipo austenítico, apresentando cromo desde 16% até
26% e níquel desde 8% até cerca de 22%.
44
No primeiro grupo (259), a ocorrência de 5-6% de cromo torna os aços muito
importantes nas indústrias em que há presença de hidrogênio e hidrocarbonetos. Às
vezes, adiciona-se também molibdênio, vanádio ou tungstênio para melhorar a
resistência mecânica a quente e alumínio e silício que aumentam a resistência à
oxidação elevando a temperatura-limite de serviço do aço. Esses aços, de
composição adequada e convenientemente temperados e revenidos, podem atingir
valores de resistência à tração da ordem de 80-95 kgf/mm2 (780 a 930 MPa).
Com apenas 0,5% de molibdênio, a resistência à fluência dos aços com 5-
6% de cromo é consideravelmente melhorada, tornando-se emprego útil na faixa
450-550°C, com cargas relativamente elevadas: 10 a 12 kgf/mm2 (100 a 120 MPa),
com alongamento de 1% em 1000 horas (259).
São utilizados grandemente sob a forma de tubos, na indústria de petróleo,
em certas indústrias químicas, em caldeiras a vapor e superaquecedores.
A presença de cromo em teores de 7-10% com carbono médio (0,40-0,60),
silício elevado (1% até 3,5%) e frequentemente com adições de molibdênio (0,5%)
(259) torna os aços resistentes à corrosão por parte de gases de combustão a
temperaturas elevadas que, em motores de automóveis, podem atingir valores
de750°C, de modo que uma das aplicações típicas desses aços encontra-se na
indústria automobilística, em válvulas de diversos tipos. Sua resistência à fluência é
satisfatória entre 450-700°C. São aços endurecíveis por têmpera, que atingem, com
conveniente têmpera e revenido, valores superiores a 100 kgf/mm2 (980MPa) para
limite de resistência à tração.
Com 13% de cromo (12% a 15%), os aços apresentam satisfatória
resistência à oxidação até a temperatura de 800°C. Com baixo carbono (0,15%
max.) são indicados para lâminas de turbina a vapor. A adição de alumínio (2,5% a
3,5%) eleva a temperatura de emprego a 1000°C. A resistência mecânica à alta
temperatura é baixa, podendo, contudo, ser melhorada pela adição de molibdênio,
tungstênio, vanádio e nióbio. Geralmente apresentam excelentes característicos de
resistência à fluência a temperaturas de 550-600°C.
45
Com cromo em torno de 18% a resistência à oxidação é ainda melhor,
sobretudo à ação do ar, até temperaturas de 850-900°C. São aços de estrutura
ferrítica, os quais, admitida uma deformação permanente de 0,1% em 1000 h,
suportam os esforços seguintes:
7,0 kgf/mm2 (70 MPa) a 525°C
3,5 kgf/mm2 (35 MPa) a 600°C
1,5 kgf/mm2 (15 MPa) a 700°C
0,7 kgf/mm2 (7 MPa) a 750°C
o que indica que a resistência à fluência é relativamente baixa, característico
esse, aliás, comum aos aços dos tipos ferríticos.
Uma aplicação importante desses aços é para válvulas de motores de
automóveis e aviões, com adição de silício (cerca de 2,0%) e níquel (em torno de
1,5%) (260).
Finalmente, com cromo,mais elevado, da ordem de 25-30%, os aços podem
ser empregados até 1100°C em atmosfera oxidante e até 1000°C em atmosfera
redutora carburizante ou sulfurosa. São do tipo ferrítico e como tal apresentam
resistência à fluência relativamente baixa. Empregam-se em inúmeras peças
utilizadas em fornos, quer no estado fundido, quer no estado forjado. Possuem
geralmente carbono médio (em torno de 0,35%).
A adição de alumínio nesses aços ferríticos de alto cromo aumenta
consideravelmente sua resistência à oxidação, a ponto deles poderem ser utilizados
em resistências elétricas, pois resistem à oxidação até temperaturas de 1300 –
1325°C.
A faixa normal dos aços de alto cromo, com alumínio, para resistências
elétricas é cromo de 30% a 35% e alumínio de 5% a 6%. Esses materiais
46
caracterizam-se igualmente por terem boa resistência à ação de atmosferas
sulfurosas e por apresentarem resistividade elétrica elevada.
As desvantagens desses aços são: apresentação de fragilidade, após
permanência prolongada a temperaturas superiores a 900°C, devido ao crescimento
do grão verificado e baixa resistência à deformação a quente.
Aliás, é comum nos aços ferríticos de alto cromo a adição de nitrogênio para
refinar o grão e melhorar sua trabalhabilidade (258).
Tabela – Aços-cromo resistentes ao calor
T
ipo
C M
n (max.)
S
i (max.)
C
r
M
o
Ou
tros
elementos
5
01 AISI
0
,10 (min.)
1
,00
1
,00
4
,00-6,00
- -
7
Cr
0
,15
(max.)
0
,60
0
,50-1,00
6
,00-8,00
0
,45-0,65
-
9
Cr
0
,15
(max.)
0
,60
1
,00
8
,00-10,00
0
,90-1,10
-
4
03 AISI
0
,15
(max.)
1
,00
0
,50
1
1,50-
13,00
- -
4
10 AISI
0
,15
(max.)
1
,00
1
,00
1
1,50-
13,50
- -
47
4
30 AISI
0
,12
(max.)
1
,00
1
,00
1
4,00-
18,00
- -
4
42 AISI
0
,20
(max.)
1
,00
1
,00
1
8,00-
23,00
- -
4
46 AISI
0
,35
(max.)
1
,50
1
,00
2
3,00-
27,00
- N2
-0,25
(max)
A Tabela anterior reúne os principais tipos de aços ao cromo resistentes ao
calor, a maioria dos quais incluídos em especificações da AISI (261).
O segundo grupo de aços resistentes ao calor compreende os aços cromo-
níquel, do tipo austenítico.
Nesse grupo, pode-se, por outro lado, considerar os tipos em que predomina
o cromo e aqueles em que predomina o níquel.
No 1° caso (Tabela a seguir), os aços característicos do grupo são os tipos
18-8, 25-12 e 25-20 números correspondentes aos teores médios de cromo e níquel
respectivamente.
Os aços 18-8, já conhecidos por sua excelente resistência à corrosão à
temperatura ambiente, possuem uma resistência ao calor muito satisfatória até
temperaturas de900°C em meio oxidante e até 700°C em meio redutor de natureza
sulfurosa. São melhores que os aços ferríticos com o mesmo teor de cromo porque
são mais trabalháveis, soldam mais facilmente e apresentam resistência mecânica
superior a altas temperaturas: por exemplo, seu limite de resistência à tração é,
a 800°C, de cerca de 20 kgf/mm2 (200 MPa) ao passo que o aço ferrítico com 17%
de cromo apresenta nessa temperatura limite de resistência de apenas 4 kgf/mm2
(259). O mesmo se pode dizer em relação à resistência à fluência, cujo valor, nesses
48
casos, além de ser consideravelmente superior ao dos aços ferríticos, é ainda
melhorado por adições de molibdênio, titânio e nióbio. O tungstênio também
aumenta a resistência, à fluência, e os limites de resistência à tração tanto a frio
como a quente.
Tabela – Aços cromo-níquel resistentes ao calor
T
ipo
C M
n (max.)
S
i (max.)
C
r
N
i
Ou
tros
elementos
3
02 AISI
0
,08-0,20
2
,00
1
,00
1
7,00-
19,00
8
,00-10,00
-
3
02B AISI
0
,08-0,20
2
,00
2
,00-3,00
1
7,00-
19,00
8
,00-10,00
-
3
04 AISI
0
,08
(max.)
2
,00
1
,00
1
8,00-
20,00
8
,00-11,00
-
3
09 AISI
0
,20
(max.)
2
,00
1
,00
2
2,00-
24,00
1
2,00-
15,00
-
3
10 AISI
0
,25
(max.)
2
,00
1
,00
2
4,00-
26,00
1
9,00-
22,00
-
3
16 AISI
0
,10
2 1 1
6,00-
1
0,00-
2,0
49
(max.) ,00 ,00 18,00 14,00 0-3,00 Mo
3
21 AISI
0
,08
(max.)
2
,00
1
,00
1
7,00-
19,00
8
,00-11,00
5 x
C min. Ti
3
47 AISI
0
,08
(max.)
2
,00
1
,00
1
7,00-
19,00
9
,00-12,00
10
x C min.
Nb
Os aços 18-8 são muito empregados em caixas e peças para fornos de
recozimento, peças de recuperadores, ventaneiras, tubos de caldeiras e vapor a alta
pressão, tubos de escapamento de motores de combustão interna (com Ti), peças
de motores a jato (com nióbio), etc.
O tipo 25-12 admite emprego em atmosfera oxidante até 1.100°C e em
atmosfera redutora como a sulfurosa até 900°C. Seu limite de resistência à tração a
quente e sua resistência à fluência são semelhantes às dos aços 18-8, assim como
seu emprego.
Os aços do tipo 25-20, contendo geralmente 1% a 2% de silício (tipo 310
AISI, Tabela 132), podem ser utilizados até 1.100°C em atmosfera oxidante,
até 1000°Cem atmosfera levemente sulfurosa e até 900°C em presença de
quantidades consideráveis de produtos sulfurosos. Tanto a resistência à tração a
quente como a resistência à fluência são ligeiramente superiores às dos tipos
anteriores. São empregados em peças de turbinas a gás, tubos de pirômetros, etc.
A Tabela anterior indica alguns tipos de aços cromo-níquel resistente ao
calor em que o cromo predomina incluindo-se tipos estabilizados como nióbio ou
titânio.
50
A Tabela a seguir resume a resistência à oxidação dos aços podendo-se
notar as temperaturas máximas para sua operação satisfatória, sem que haja
excessiva formação de casca de óxido.
Os aços resistentes ao calor do tipo cromo-níquel em que o níquel
predomina são indicados para resistir à ação de atmosferas tanto oxidantes como
redutoras dede que o teor de enxofre não seja muito elevado. São aços que se
caracterizam pela estabilidade de sua estrutura após permanecerem longo tempo a
altas temperaturas e por não se tornarem frágeis, após aquecimento prolongado
entre as temperaturas de 500°C a 900°C, como ocorre com os aços em que
predomina o cromo.
Tabela – Temperaturas máximas comparativas para operação de aços
resistentes ao calor sem excessiva oxidação
Aços- Cr Temperat
ura máxima (°C)
Aços-Cr-
Ni
Temperat
ura máxima (°C)
501 AISI
(0,5Mo)
620 302-304
AISI
900
7 Cr 650 302B AISI 980
9 Cr 675 309 AISI 1095
403-410
AISI
705 310 AISI 1150
430-AISI 845 316 AISI 900
442-AISI 955 321 AISI 900
446-AISI 1095 347 AISI 900
51
A Tabela a seguir mostra para alguns aços resistentes ao calor dos tipos
cromo e cromo-níquel (com cromo predominando) os valores do limite de resistência
à tração (*), da tensão de ruptura (**) e da fluência a várias temperaturas.
Tabela – Algumas propriedades mecânicas de certos aços resistentes
ao calor, em função da temperatura
T
emper
atura,
°C
Tipo 501
(0,5 Mo)
Tipo 410 Tipo 446 Tipo 304
(18-8)
R
esis
t.
Tra
ção
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Rup
tura
kgf/
mm
2
(MP
a)
F
luê
nci
a
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Tra
ção
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Rup
tura
kgf/
mm
2
(MP
a)
F
luê
nci
a
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Tra
ção
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Rup
tura
kgf/
mm
2
(MP
a)
F
luê
nci
a
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Tra
ção
kgf/
mm
2
(MP
a)
R
esis
t.
Rup
tura
kgf/
mm
2
(MP
a)
F
luê
nci
a
kgf/
mm
2
(MP
a)
A
mbient
e
5
3,5
(52
5)
- - 6
2,5
(61
5)
- - 5
8
(570
)
- - 6
1
(60
0)
- -
9
3
4
4
(43
0)
- - 5
8
(57
0)
- - 5
4,5
(535
)
- - 5
5
(54
0)
- -
2 4 - - 5 - - 5 - - 5 - -
52
04 2
(41
00
3
(52
0)
1,5(
505)
2
(51
0)
3
16
4
0,5
(39
5)
- - 5
1
(50
0)
- - 5
0
(490
)
- - 5
1
(50
0)
- -
4
27
3
9
(38
0)
- - 4
6
(45
0)
- - 4
8
(470
)
- - 4
8,5
(47
5)
- -
5
38
3
1
(30
0)
1
3,3
(13
3)
6
,3
(63)
3
1
(30
0)
- 7
,7
(77)
4
3
(420
)
- 4
,2
(42)
4
0,5
(39
5)
- 1
2,2
(12
2)
6
49
1
7
(17
0)
4
,2
(42)
1
,4
(14)
1
5,5
(15
5)
- 1
,4
(14)
1
7
(170
)
2
,8
(28)
1
,0
(10)
3
1
(30
0)
1
0,5
(10
5)
4
,9
(49)
7
60
8
,5
(85)
1
,4
(14)
- 6
,5
(65)
- - 8
,5
(85)
1
,2
(12)
0
,2
(2)
2
0,5
(20
5)
4
,2
(42)
1
,7
(17)
8
71
- - - 6
,6
(66)
*
- - 3
,8
(38)
- - 1
1
(11
0)
- -
9
82
- - - 5
(50
- - 2
,1
- - 6
(60
- -
53
) (21) )
1
093
- - - 3
(30
)
- - 1
,4
(14)
- - 3
,8
(38)
- -
1
204
- - - 1
,8
(18)
- - 0
,87
(8,7)
- - - - -
1
316
- - - 0
,35
(3,5
)
- - - - - - - -
* Aumento devido à transformação da ferrita em austenita. A resistência à
ruptura corresponde à tensão para ruptura em 1000 horas à temperatura
considerada. A fluência corresponde à tensão para 1% de deformação em 10.000
horas.
A Tabela a seguir apresenta a composição média de alguns tipos de aços
níquel-cromo, onde predomina o níquel. Esses aços podem ser empregados
até 1050°C, em aplicações tais como tubulações para serviço em alta temperatura,
peças para turbina a gás, etc.
Tabela – Alguns tipos de aços-níquel-cromo resistentes ao calor
L
iga
C M
n
S
i
C
r
N
i
M
o
W T
i
A
l
O
utros
A 0 1 1 1 2 1 - 0 0 -
54
-282 ,08
(máx.
)
,25 ,00
(máx.
)
4,75 5,5 ,25 ,35 ,25V
(máx.
)
D
iscaloy
24
0
,04
1
,38
1
,0
1
3,5
2
6,2
3
,9
- 1
,61
0
,11
-
H
aynes
Alloy 88
0
,07
1
,5
0
,5
1
2,5
1
5,0
2
,0
0
,6
0
,6
- 0
,15B
I
ncoloy
T
0
,10
1
,0
0
,4
2
0,5
3
2,0
- - 1
,0
- -
T
imken
16-25-6
0
,10
1
,35
0
,7
1
6,0
2
5,0
6
,0
- - - 0
,15N2
Um maior teor de níquel e cromo permite a sua utilização a temperaturas
mais elevadas, da ordem de 1.150°C; entretanto, tais materiais deixarão de ser
abordados por não serem mais aços e sim ligas especiais de Ni-Cr (***).
A Tabela a seguir apresenta a temperatura de formação de “casca de óxido”
de alguns aços no cromo-níquel: note-se que um aumento do teor de níquel além de
um certo limite não exerce qualquer influência sobre a resistência à oxidação dos
aços considerados.
Tabela – Temperaturas de formação de “casca de óxido” em alguns
aços ao Cr-Ni
55
Tipo 18-
8
18-
12
25-
15
25-
20
15-
35
Cro
mo, %
17-
19
17-
19
24-
26
24-
26
13-
17
Níqu
el, %
8-
10
11-
14
14-
16
19-
22
33-
36
Man
ganês, %
2,0
0
2,0
0
2,0
0
1,0
0
1,0
0
Carb
ono, %
0,1
0
0,1
0
0,1
5
0,1
5 máx.
0,2
0 máx.
Tem
peratura de
formação de
casca de
óxido, °C
900
°
900
°
1.1
50°
1.1
00°
900
°
(*) Os valores para limite de resistência à tração a diversas temperaturas são
obtidos mediante ensaio de tração semelhante ao que se faz à temperatura
ambiente, tendo, entretanto, submetido o corpo de prova a um aquecimento à
temperatura do ensaio, num forno adequado, durante meia à uma hora.
(**) O ensaio para determinar a tensão de ruptura é semelhante ao d
fluência, com a diferença de que tensões mais elevadas são utilizadas e de que se
exige medidas rigorosas de deformações. Esse ensaio indica o tempo necessário
para ocorrer ruptura a uma dada temperatura, sob a ação de várias cargas
constantes.
(***) Algumas composições mais conhecidas e usadas dessas ligas são 80
Ni-14 Cr-6 Fe (Inconel); 80 Ni-20 Cr (Nichrome), etc.
56
Outras ligas resistentes ao calor:
CC670 – S15(S05-S25)
Cerâmica à base de óxido de alumínio, reforçada com whiskers de metal
duro e silício e excelente tenacidade.
Recomendada basicamente para ligas resistentes ao calor sob condições
desfavoráveis.
CC6060 – S10(S05-S20)
Cerâmica à base de Sialon.
Performance otimizada em materiais HRSA préusinados sob condições
estáveis.
Alta segurança e desgaste previsível devido a alta resistência ao desgaste
tipo entalhem.
CC6065 – S15(S10-S20)
Cerâmica à base de Sialon. Oferece boa tenacidade e segurança.
Bem adequada para primeira fase de usinagem em aplicações semi-
intermitentes e também para a usinagem de casca forjada e outras operações com
exigência de tenacidade.
S05F – S05(S05-S15)
Metal duro com cobertura CVD.
Para acabamento com altas velocidades em HRSA ou cortes longos com
velocidades mais baixas. Também pode ser usada em desbaste.
Para aplicações onde o desgaste tipo entalhe não é um problema
significativo, por exemplo, pastilhas redondas, ângulos de posição grandes e
materiais mais macios.
GC1105 – S15(S05-S20)
57
Cobertura PVD TiAlN fina com excelente aderência a um substrato duro de
finos grãos, com 6% Co para alta dureza a quente e boa resistência contra
deformação plástica e desgaste de flanco.
Alta performance, arestas vivas com tenacidade.
Adequada para acabamento de aços inoxidáveis com velocidades altas.
Excelente performance em super ligas resistentes ao calor.
GC1115 – S20(S15-S25)
Cobertura PVD fina à base de óxido e aderência superior ao substrato,
também em arestas vivas.
Velocidades baixas a médias e cortes intermitentes em super ligas
resistentes ao calor.
Operação sem problemas, como desgaste irregular do flanco e cavacos.
Boa resistência contra o desgaste tipo entalhe em tempos de contato curtos.
GC1125 – S25(S20-S30)
Metal duro microgrãos com cobertura PVD.
Recomendado para super ligas resistentes ao calor em velocidades baixas
ou cortes intermitentes suaves.
Boa resistência contra o desgaste tipo entalhe e de choques térmicos.
Adequada para uso em operações de semi-desbaste em tempos de contato curtos.
GC1005 – S15(S05-S20)
Metal duro com cobertura PVD e alta resistência ao desgaste com
temperaturas altas. Substratos de finos grãos com boa resistência à deformação
plástica.
Mais adequada para super ligas resistentes ao calor à base em Ni, Fe ou
Co.
H10A – S10(S01-S20)
58
Classe de metal duro sem cobertura com boa resistência ao desgaste.
Acabamento a desbaste médio de ligas resistentes ao calor e ligas de Ti.
H13A – S15(S10-S30)
Classe de metal duro sem cobertura com boa resistência ao desgaste
abrasivo e tenacidade.
Torneamento médio ao desbaste das ligas de titânio e aços resistentes ao
calor.
CC650 – S05(S01-S10)
Cerâmica mista à base de Al2O3.
Pode ser utilizada em operações de semiacabamento de ligas de alta
temperatura em aplicações com baixa demanda quanto à segurança da aresta.
H10F – S15(S10-S30)
Classe de metal duro de finos grãos e sem cobertura.
Recomendada para super ligas resistentes ao calor ou ligas de titânio com
velocidades muito baixas.
Grande resistência ao choque térmico e desgaste tipo entalhe a tornam
adequada para cortes longos ou intermitentes.
GC15 – S20 (S15-S25)
Recomendada para desbaste médio ao acabamento de ligas à base de
níquel e titânio envelhecidas.
GC30 – S35 (S35-S45)
Para uso complementar em ligas à base de níquel e titânio em estágio não
tratado termicamente/não envelhecido.
59
Materiais para fins elétricos e magnéticos
Introdução
A utilização dos aços para fins elétricos e magnéticos só pode ser discutida
com base em suas propriedades magnéticas. As propriedades mecânicas e
químicas que têm constituído as características para a comparação dos materiais
até aqui estudados em princípio podem ser ignoradas.
A aplicação dos materiais magnéticos é das mais extensas no campo da
indústria elétrica, exigindo-se propriedades especiais tanto no caso de um pequeno
motor para relógio elétrico, como no de um motor de grande potência para
acionamento de um laminador, ou no caso de um transformador de alta freqüência
para rádio comunicação, ou de alta potência para uma rede de distribuição de força.
Particularmente nestes casos em que se lidam com potências extremamente baixas,
ou extremamente altas,é que as exigências quanto às propriedades magnéticas e
elétricas se tornam mais imperativas.
Até poucos anos atrás, as companhias de equipamentos elétricos faziam
seus produtos de um modo mais ou menos empírico, louvando-se apenas em sua
experiência industrial. Com o atual desenvolvimento das aplicações desses
materiais, despertou-se o interesse dos pesquisadores, tanto no campo
fundamental, como no de novas aplicações, desenvolvendo-se o conhecimento das
propriedades desses materiais, que permitiu a compreensão de certos fenômenos e
a correlação entre magnetismo, composição química e estrutura.
Como o estudo dos materiais incluídos neste capítulo só poderá ser feito
por intermédio de suas propriedades magnéticas, é conveniente que se faça uma
rápida recordação do significado físico dessas propriedades.
60
Magnetismo
O magnetismo, ou seja, a propriedade de certas substâncias – os ímãs – se
atraírem entre si ou a outros corpos, pode ser melhor compreendida pela lei de
Coulomb de atração entre pólos magnéticos, que possibilitou definir a unidade de
pólo ou massa magnética, a qual provoca em uma massa idêntica, colocada a uma
distância de 1cm, uma força repulsiva de uma dina.
O conceito de pólo é utilizado com o objetivo de facilitar a compreensão dos
campos magnéticos, cujo aspecto físico pode ser materializado se se introduzir o
conceito de linha de força.
Estas são linhas normais às superfícies equipotenciais que envolvem os
pólos magnéticos. Essas linhas apresentam circuitos magnéticos que emanam ou
convergem a um pólo. Por definição, considera-se que a esfera de 1 cm de raio
envolvendo um pólo magnético unitário é penetrado por 4 linhas de força; portanto,
cada centímetro quadrado da superfície dessa esfera é atravessado por uma linha
de força.
Define-se, então, a intensidade de um campo magnético ou força
magnetizante, como o número de linhas que atravessam a unidade de área normal à
direção do campo.
A unidade de intensidade do campo magnético recebe o nome de “oersted”
e corresponde à “intensidade de um campo que exerce uma força de uma dina,
numa unidade de massa magnética, nele colocada”. Logo, a 1 cm de um pólo
unitário, a intensidade de um campo magnético é de 1 oersted.
61
2.1 – Intensidade de magnetização e indução magnética
Define-se quantitativamente a magnetização pelo número de pólos
magnéticos unitários existentes por unidade de área numa secção do material.
Se o número de pólos unitários na extremidade de uma barra de
comprimento “l” for “m”, e a área da secção for “a”, a intensidade de magnetização
“I” será dada pela relação: I = m/a.
Demonstra-se que I representa também o momento magnético “M” por
unidade de volume, pois:
M = ml
v = al, donde I = v/a
M = m v/a = Iv ou I = M/v
Sabe-se que um campo magnético pode também ser produzido por uma
corrente elétrica. Se o condutor for enrolado em forma de anel ou em solenóide, a
circulação de corrente gerará espirais. Esse campo magnético é designado pelo
símbolo “H” e também pode ser medido em oersted. No caso particular de um
solenóide longo, com “n” espirais por centímetro e percorrido por uma corrente de “i”
ampéres, a intensidade do campo no centro do solenóide será:
62
H = 4 ¶ ni
________ oersted
10
Ao se introduzir nesse solenóide um núcleo ferromagnético, o campo H
induzirá no núcleo linhas de magnetização, devido à natureza ferromagnética do
material.Fisicamente, isso corresponde a um alinhamento dos dipolos elementares
do material, na direção do campo. Sendo o momento dos dipolos por unidade de
volume igual à intensidade de magnetização I, haverá 4 ¶ I linhas de força por
unidade de área do pólo magnético do núcleo. O fator 4 ¶ decorre ao fato de que
cada pólo unitário produz um campo unitário em todos os pontos da superfície
esférica e raio unitário que envolve o pólo.
O número total de linhas de força no solenóide será agora igual a H + 4¶ I, o
que recebe o nome de indução magnética “B”
B = H + 4¶ I
A indução magnética correspondente a uma linha de força por centímetro
quadrado recebe o nome de 1 “Gauss”. No sistema inglês ela é expressa em linhas
por polegada quadrada e não tem um nome especial.
63
2.2 – Intensidade de saturação
Quando todos os dipolos elementares do material magnético estiverem
perfeitamente alinhados com o campo externo, a intensidade de magnetização
atinge um valor máximo, recebendo o nome de intensidade de saturação Is. Essa
intensidade de saturação depende da composição química, das fases presentes na
estrutura do material e de seu volume.
2.3 – Permeabilidade
O valor da indução magnética por unidade de intensidade do campo recebe
o nome de permeabilidade.
B
µ = ___
H
Como se verá adiante, nos materiais ferromagnéticos, B não é função linear
de H, de modo que a permeabilidade não é constante e depende da intensidade do
campo magnetizante.
64
2.4 – Suscetibilidade
É definida pela relação K = I/H de modo que está relacionada à
permeabilidade, da seguinte maneira:
B = H + 4¶ I
Dividindo por H: B/H = 1 + 4¶ I/H
Ou: µ = 1 + 4¶ K
Propriedades magnéticas da matéria
As substâncias, em qualquer estado físico, possuem propriedades
magnéticas e podem ser classificadas numa das seguintes categorias:
1) materiais diamagnéticos
2) materiais paramagnéticos
3) materiais ferromagnéticos
65
Quando se colocam diversas substâncias num campo magnético, pode-se
observar que algumas se orientarão na direção do campo, ficando fortemente
magnetizadas. Estas recebem o nome de ferromagnéticas. Outras se magnetizam
fracamente, mas também se orientam paralelamente ao campo e são chamadas
paramagnéticas e, finalmente, outras dispor-se-ão normais ao campo, caso este não
seja uniforme e são as diamagnéticas. Como os efeitos magnéticos nas substâncias
dia e paramagnéticas são relativamente fracos, elas são consideradas como
materiais não magnéticos.
O diamagnetismo é uma propriedade inerente a todos os materiais e só não
é detectável na presença de efeitos paramagnéticos ou ferromagnéticos mais
intensos.
Langevin demonstrou que a aplicação de um campo magnético num sistema
de elétrons em movimento de translação induz um momento magnético que se opõe
ao campo externo. A variação do momento induzido com o campo é a
suscetibilidade diamagnética. Tanto a teoria de Langevin como as observações
experimentais demonstram que essa suscetibilidade é independente da temperatura.
Nos elementos que possuem órbitas eletrônicas incompletas, os momentos
magnéticos resultantes dos movimentos de translação e de rotação dos elétrons
podem não se compensarem e cada átomo no reticulado comportar-se-á como um
dipolo magnético, com orientação a esmo. A aplicação de um campo magnético
externo tenderá a orientar esses dipolos na direção do campo, o que constitui o
efeito paramagnético. Nestas circunstâncias, explica-se a influência da temperatura
neste efeito. No tratamento teórico do problema, Langevin calculou a relação entre o
momento magnético induzido e a temperatura, obtendo resultado que se verifica
com boa aproximação pelas determinações experimentais.
66
Em alguns casos, como por exemplo, no do cobre, o paramagnetismo fraco
dos elétrons das órbitas incompletas não contrabalança a contribuição diamagnética
das órbitas internas, de modo que o efeito resultante é diamagnético. As figuras 181
e 182 esquematizam a distribuição das linhas de força dos materiais dia e
paramagnéticos.
Os materiais ferromagnéticos diferem dos paramagnéticos por possuírem
uma permeabilidade que pode atingir valores milhares de vezes maiores que a dos
materiais paramagnéticos, cuja permeabilidade é constante e pouco superior a 1.
Além disso, a permeabilidade dos materiais ferromagnéticos depende da intensidade
do campo magnetizante, como mostra a figura 183.
Para a explicação do ferromagnetismo devem-se levar em conta dois
fenômenos importantes:
1) que esse comportamento só se observa em 4 dos 92 elementos
conhecidos, isto é, no ferro, cobalto, níquel e gadolínio;
2) que o elevado número magnético apresentado por esses elementos
depende do campo magnetizante.
O estudo teórico do assunto levou à conclusão que o efeito ferromagnético
depende do spin dos elétrons (267), de modo que cada elétron girando em torno de
si próprio comporta-se, como no caso das substâncias paramagnéticas, como um
dipolo elementar. Estes podem ser orientados paralelos aos campos externos, mas
normalmente não estão completamente orientados. O estado de mínima energia
num sistema atômico dá-se quando um certo número desses ímãs elementares está
orientado numa direção e um número equivalente, em sentido oposto. A propriedade
ferromagnética se manifesta quando o número de spins eletrônicos (momento
67
magnético devido ao spin) paralelos ao campo aplicado ultrapassa o número de
antiparalelos.
O fato do ferromagnetismo só ser observado nos 4 elementos citados não é
acidental. Esses elementos de transição são caracterizados por possuírem órbitas
de alta densidade eletrônica não saturadas (órbitas d e f), de modo que tal equilíbrio
não se verifica. A teoria moderna, baseada na mecânica quântica, estabelece que,
em determinadas condições, o estado de mínima energia nessas órbitas ocorre
quando há uma preponderância de spins sobre antiparalelos. Essas condições são:
1) que o material esteja no estado sólido;
2) que a relação entre as distâncias interatômicas e os raios das órbitas
citadas dentro de certos limites.
Aplicando essas condições a diversos elementos, Beth (268) (269) e outros
pesquisadores verificaram que elas são satisfeitas pelos quatro elementos
ferromagnéticos.
3.1 – Domínios ferromagnéticos
As condições descritas no parágrafo anterior, quando satisfeitas, permitem a
interação entre elétrons das órbitas 3d de átomos vizinhos tendendo a orientá-las
magneticamente numa direção. Esse efeito se estende a pequenos volumes do
cristal, delimitando no seu interior regiões da ordem de 10-9 cm2, chamados
“domínios”. Nessas condições, cada cristal ou grão de um metal ferromagnético,
mesmo na ausência de um campo magnetizante externo, acha-se dividido em
domínios ferromagnéticos, com as características de dipolos elementares. O estado
68
macroscópico de desmagnetização é explicado como um resultado estatístico da
orientação a esmo dos domínios ferromagnéticos.
Uma demonstração prática dessa teoria foi dada por Bitter, que obteve
desenhos em superfícies polidas de cristais ferromagnéticos pela distribuição
zonada de Fe2O3 em pó. Mais tarde, determinando-se as curvas de magnetização
por métodos eletrônicos sensíveis, observou-se que elas apresentam
descontinuidades durante a magnetização, que correspondem às que resultariam de
mudanças de direção em domínios da ordem de grandeza dos propostos pela teoria.
3.2 – Curva de magnetização
Uma curva de magnetização, como a que se vê na figura 184, dá a variação
da indução B com a força magnetizante H.
Nessa figura, o trecho que parte da origem e atinge o ponto mais elevado
da curva, corresponde à “curva de magnetização” e o ciclo fechado pela linha
externa representa o “ciclo de histerese” que decorre do fato dos fenômenos de
magnetização não serem fenômenos reversíveis, pois com a diminuição do campo
H, B não diminui de acordo com a curva de magnetização.
O coeficiente angular das retas traçadas da origem a pontos da curva de
magnetização representa a permeabilidade do material, na correspondente
intensidade do campo magnetizante, ou da indução B. Pelo desenvolvimento da
curva de magnetização do ferro puro, pode-se ver que a permeabilidade varia com o
campo magnetizante de um modo não linear, passando por um máximo, que
corresponde à tangente tirada da origem do cotovelo da curva. A figura 185 mostra,
ainda no caso do ferro puro, a variação da permeabilidade µ com a indução B.
69
Como B está relacionado a H pela expressão B = H + 4¶ I
B cresce ilimitadamente com H.
Voltando à curva da figura 184 com a eliminação do campo H, o valor B não
volta a zero, mas reduz-se a um valor que recebe o nome de “indução residual”, ou
“remanência”. Essa remanência representa a magnetização retida pelo material. Se,
em seguida, for aplicado um campo de sentido oposto, o valor da magnetização
residual decrescerá progressivamente até zero. O valor do campo desmagnetizante
que anula a magnetização residual recebe o nome de “força coerciva”. Para campos
desmagnetizantes mais intensos, o ciclo se repete de modo análogo e simétrico ao
descrito.
A irreversibilidade dos fenômenos de magnetização exige um consumo de
energia para que um dado volume de material percorra um ciclo de histerese. No
caso de campos continuamente alternantes, como os que ocorrem nos
transformadores, a cada ciclo da tensão corresponderá uma perda proporcional à
área do ciclo de histerese do material do núcleo. Por outro lado, as variações do
fluxo magnético geram no núcleo correntes elétricas que também se dissipam na
forma de calor e que recebem o nome de “correntes de Foucault”.
A soma da perda devida à histerese com a perda devida às correntes de
Foucault recebe o nome de “perda do núcleo” e constitui uma característica
importante para a classificação dos materiais para núcleos transformadores.
3.3 – Características das curvas de magnetização
Na parte inicial das curvas de magnetização os fenômenos são praticamente
reversíveis e B varia de um modo aproximadamente linear com H. Nessa região, os
domínios com orientação favorável, em relação ao campo magnetizante, crescem às
70
expensas dos domínios vizinhos desfavoravelmente orientados, pelo movimento de
seus contornos, mantendo sua orientação com relação aos eixos cristalográficos.
A parte média da curva é a região onde as perdas por histerese ocorrem.
Aqui a magnetização é irreversível e resulta de mudanças bruscas na orientação dos
domínios, associadas ainda a movimentos dos contornos. O cotovelo da curva
corresponde à orientação de todos os domínios paralelamente aos eixos
cristalográficos que mais se aproximam da direção do campo. Na parte superior da
curva, onde a magnetização tende à saturação, o fenômeno é novamente reversível.
Ele resulta da progressiva orientação dos domínios no sentido do campo.
3.4 – Ansiotropia dos materiais magnéticos
De um modo geral, observa-se que nos materiais policristalinos a
suscetibilidade magnética é idêntica em todas as direções. Ao se considerar, porém,
um cristal isolado, ver-se-á que ele apresenta maior ou menor tendência para
magnetizar-se de acordo com determinadas direções cristalográficas. As figuras 186
e 187 ilustram essa afirmação. No caso do ferro (fig. 186), as direções [100] são as
de maior suscetibilidade, ao passo que para o níquel (fig. 187) as direções [111] são
as mais favoráveis.
Essa particularidade não teria importância prática se certos materiais
magnéticos, como as ligas Fe-Si, não manifestassem orientações preferenciais.
Certos metais e ligas metálicas quando encruados por laminação até determinadas
percentagens de redução, ao se recristalizarem por recozimento, desenvolvem os
novos grãos com seus eixos cristalográficos em orientações preferenciais. Nessas
condições, o comportamento ansiotrópico dos cristais e a orientação preferencial
desses cristais podem propocionar a um produto melhores propriedades magnéticas
em determinadas direções. É o caso das chapas Hipersil (Fe com 3,25% de Si) para
transformadores.
71
3.5 – Efeito de inclusões, fissuras e constituintes não magnéticos
A força magnetizante efetiva Hef é constituída por duas parcelas: Hf, que
representa a intensidade do campo externo e Hd, que representa os campos
desmagnetizantes.
Os campos desmagnetizantes são os campos que se formam nos
entreferros naturais, ou resultantes de trincas internas e nas inclusões e
constituintes não magnéticos. O aumento desses defeitos, ou desses constituintes,
diminui a força magnetizante efetiva e isso altera a curva de magnetização, como
mostra a figura 188.
3.6 – Influência da temperatura nas propriedades ferromagnéticas
Ponto Curie – Opondo-se às forças ordenadoras das interações atômicas,
que promovem a formação dos domínios ferromagnéticos, existem forças
provocadas pela agitação térmica, que podem causar o desaparecimento desses
domínios. Como estas aumentam com a temperatura, há, para todos os materiais
ferromagnéticos, níveis de temperatura acima dos quais o efeito dispersivo da
agitação térmica anula a tendência orientadora das forças de interação atômica, de
modo que o material perde suas propriedades ferromagnéticas. Essa temperatura de
transição recebe o nome de “ponto Curie”.
Resfriando-se o material abaixo do “ponto Curie”, suas características
ferromagnéticas são recuperadas. A figura 189 mostra a variação da intensidade de
saturação do ferro com a temperatura.
72
3.7 – Magnetoestricção
A magnetoestricção abrange todas as mudanças de dimensões que sofrem
os materiais ferromagnéticos quando submetidos a campos magnetizantes. Esse
fenômeno recebe várias denominações, como por exemplo, “efeito Joule”, quando
se trata da variação do comprimento da peça em campos transversais; “efeito
Barret”, quando for a variação do volume e “efeito Wiedemann” quando as variações
de dimensão devido a campos radiais provocam movimentos de torção.
Os materiais que se alongam quando submetidos a um campo magnético
possuem magnetoestricção positiva. Nestes materiais a permeabilidade aumenta
devido a deformações elásticas.
Tais materiais têm tido aplicação em eletrônica, na fabricação de osciladores
e filtros. No campo da tecnologia, sua aplicação mais interessante é para
transformar energia elétrica de freqüência ultrassônica em pulsações mecânicas
com a mesma freqüência como, por exemplo, nas máquinas perfuradoras para
materiais extremamente duros, onde tais dispositivos são utilizados para impulsionar
partículas de abrasivo contra o material a ser perfurado.
Metais e ligas para a indústria elétrica
Costuma-se dividir os materiais magnéticos para a indústria elétrica em dois
grupos:
a) Materiais de alta permeabilidade e baixa força coerciva, ou materiais
magneticamente moles.
b) Materiais de alta força coerciva, magneticamente duros, ou ímãs
permanentes. Neste grupo, a permeabilidade não é uma característica importante.
73
As designações, magneticamente mole ou duro, apesar de não se
destinarem a descrever a dureza mecânica desses materiais, mas sua resistência à
desmagnetização, de um modo geral, também representa seu comportamento
mecânico.
Na parte de aços para fins magnéticos, serão denominados ferro ou ligas de
ferro, aos materiais magneticamente moles, nos quais o carbono existente ocorre
mais como impureza do que como elemento de liga.
As ligas de ferro para ímãs permanentes que possuem teores mais
elevados de carbono são denominadas aços.
4.1 – Materiais magneticamente moles
Este é o grupo mais importante dos materiais magnéticos. Trata-se de
materiais que necessitam ter alta intensidade de saturação, alta permeabilidade e
uma força coerciva bem pequena. A remanência pode ser baixa ou alta,conforme o
tipo de aplicação. Por exemplo, num relé sensível, de desligamento rápido,
necessita-se um material de baixa remanência para reduzir o agarramento quando
se corta o campo magnetizante.
Na aplicação em corrente alternada necessita-se de ligas de baixa histerese
e de alta resistividade para diminuir a perda do núcleo.
- Ferro, níquel e cobalto – Dentre os materiais magneticamente moles deve-
se estudar em primeiro lugar os três elementos ferromagnéticos mais comuns: ferro,
níquel e cobalto.
O ferro quimicamente puro é o que apresenta melhores característica
magnéticas, mas seu preço é muito elevado para as aplicações normais. Para
substituí-lo, usam-se os aços extra-doces, que apesar de inferiores, dão resultados
satisfatórios.
74
O Ni e o Co são elementos menos ferromagnéticos do que o Fe e de preço
mais elevado.
A Tabela 138 dá a variação da indução B com a força magnetizante H para
esses 3 elementos. O ferro é indicado para quase toas as aplicações em corrente
contínua. Para corrente alternada não é indicado, pois possui baixa resistividade (10
µom-cm), de modo que as perdas por correntes de Foucault são elevadas.
Tabela 138 – Variação da indução B com a força magnetizante H
H
(oersted)
B (gauss)
Ferro Níquel Cobalto
20 15500 5100 1200
40 16200 5500 2800
60 16800 5700 4400
80 17300 5800 6000
100 17700 5900 6800
120 17900 6000 7500
- Ligas ferro-silício – Estas são as ligas de maior consumo na indústria de
produtos elétricos. As adições de silício ao ferro aumentam consideravelmente sua
resistividade, como mostra a figura 191; portanto diminui a perda do núcleo. O silício
diminui a intensidade de saturação do ferro, mas não afeta apreciavelmente a
permeabilidade e a perda por histerese.
75
Do ponto de vista das propriedades mecânicas, observa-se que o silício
acima de certos teores torna o material frágil e difícil de ser trabalhado. Esse
comportamento, como se vê na figura 192 (270), depende da temperatura. Para
cada composição, existe uma temperatura mínima necessária para o trabalho
mecânico. Por exemplo, para temperatura ambiente o referido gráfico mostra que o
teor máximo de silício é de 3,5%.
Uma das ligas mais importantes desta categoria é o Hipersil, com 3,25% do
Si.
As ligas Fe-Si, com este teor de silício apresentam a anisotropia magnética
do ferro puro, de modo que, com seqüências de encruamentos críticos por
laminação e recristalização controlada, a maioria dos grãos fica com um plano (100)
no plano da laminação e com uma direção [100] na direção da laminação.
A curva de magnetização do Hipersil aproxima-se bastante da de um anel
quadrado cortado de um cristal único de Fe-Si (3,9%), com um lado paralelo à
direção [100].
A Tabela 139 (269) enumera alguns tipos de ligas Fe-Si, fabricadas na
forma de chapas. Seu emprego faz-se em:
1) Motores fracionários de baixo custo, para uso intermitente.
2) Motores fracionários e peças polares e outros circuitos magnéticos de alta
permeabilidade.
3) Motores e geradores da melhor qualidade. Transformadores pequenos
para uso intermitente, relés e reatores.
4) Motores e geradores de eficiência média. Transformadores pequenos e
reatores.
76
5) Motores e geradores de alta eficiência e tamanho médio.
Transformadores de uso intermitente, reatores, medidores elétricos, peças polares
laminadas.
6) Transformadores de alta eficiência, para redes de distribuição.
7) Todos os tipos de transformadores, para redes de distribuição e máquinas
elétricas de alta eficiência.
Convém mencionar que as ligas ferro-silício para fins elétricos são
produzidas na forma de chapas laminadas a frio e recozidas, em dois tipos: de grão
orientado e de grão não-orientado.
As ligas de grão orientado apresentam baixa perda elétrica e elevada
permeabilidade magnética, propriedades requeridas para aplicações como núcleos
de transformadores e geradores de potência.
As de grão não-orientado, também produzidas por laminação a frio e
recozidas, apresentam excelente permeabilidade em altas induções, baixo valor
médio de perdas magnéticas e nelas pode aplicado um revestimento isolante. São
empregadas em amplificadores magnéticos, transformadores de potência e
distribuição, geradores para usinas hidroelétricas, pequenos motores de corrente
contínua e motores de corrente alternada de tamanho médio, medidores de energia,
transformadores reguladores de tensão, transformadores para aparelhos de rádio e
televisão, transformadores para máquinas de soldagem, motores para aparelhos
eleltro-domésticos, reatores de lâmpadas fluorescentes, peças polares, núcleos de
relés, etc.
77
Tabela 139 – Propriedades físicas e magnéticas típicas de chapas de Fe-Si
T
eor
aproxim
ado de
Si, %
Tipo
ou Marca
Re
sistividad
e de
micro-
ohms-cm
P
erda
do
núcle
o
máxi
ma
(watt
s-kg
em 60
ciclos
)
Limi
te de
resistência
à tração
Al
ongament
o em 25
mm %
E
mpreg
o
k
gf/
mm2
M
Pa
0
,25/0,30
“Cam
po”
28 5
,1
- - - (
1)
0
,50/0,60
“Arma
dura”
28 3
,4
3
1,0
3
00
25 (
2)
1
,25/1,50
“Elétri
co”
44 3
,7
3
5,0
3
40
22 (
3)
2
,50/2,75
“Moto
r”
44 2
,5
4
7,5
4
65
14 (
4)
2
,75/3,25
“Dína
mo”
50 2
,1
- - - (
5)
3
,25/3,50
“Hiper
sil”
50 2
,1
4
9,0
4
80
12 (
6)
3
,60/4,00
“Tran
sformador72”
52 1
,58
5
6,0
5
50
8 (
7)
78
4
,00/4,25
“Tran
sformador65”
58 1
,43
5
0,5
4
95
6 (
7)
4
,25/4,50
“Tran
sformador58”
60 1
,27
5
3,0
5
20
5 (
7)
4
,50/4,75
“Tran
sformador52”
65 1
,15
4
9,0
4
80
2 (
7)
- Ligas ferro-níquel – Este é o segundo grupo importante de ligas de alta
permeabilidade, à base de ferro.
A figura 139 (271) mostra a variação da intensidade de saturação nas ligas
Fe-Ni em função da composição. Acima de 50% de níquel têm-se materiais com
propriedades magnéticas diversas, embora mantenham alta permeabilidade e baixa
perda. Estes materiais são indicados para instrumentos que operam com uma baixa
densidade de fluxo.
As ligas comerciais Hipernik e Permalloy cobrem as faixas de composição
em torno de 50% e 78% de níquel, respectivamente.
Os Hiperniks possuem uma intensidade de saturação da ordem de 16000
gauss e os Permalloys da ordem de 11000 gauss.
Acima de 33% de níquel, a resistividade dessas ligas diminui continuamente
de 85 para 16 µohm-cm. Esse fato, associado à sensibilidade das propriedades
magnéticas dessas ligas aos tratamentos térmicos, devido a reações ordem-
desordem correspondentes à composição FeNi (78% Ni), possibilita obter
79
propriedades magnéticas interessantes, como o ciclo de histerese retangular da
figura 194 que resulta de um resfriamento em campo magnético, através do ponto
Curie.
Em composições em torno de 81% de níquel, acredita-se que ocorra uma
quantidade crítica de reação ordem-desordem, que anula a magnetoestricção
(fig.190) e a anisotropia magnética, dando materiais policristalinos de alta
permeabilidade.
As adições de cromo, molibdênio e cobre diminuem as velocidades críticas
exigidas nessa transformação, o que favorece a utilização prática dessas ligas. O
carbono, o oxigênio e o enxofre têm efeito contrário. Outra particularidade importante
deste sistema é que quase todas as ligas são bastante dúcteis, não existindo
portanto problemas na estampagem ou corte desses materiais.
A Tabela 140 mostra algumas das mais importantes ligas Fe-Ni.
As ligas Fe-Ni são aplicadas principalmente em instrumentos elétricos,
circuitos telefônicos, transmissores de rádio e aparelhos de rádio.
Tabela 140 – Ligas Fe-Ni
De
nominaçã
o
Compo
sição, %
Característicos
F
e
N
i
O
utros
element
os
Per
meabilidade
inicial
Per
meabilidade
máxima
S
aturaçã
o 4 ¶ Is
Re
sistividad
e
microhm-
cm
Per
malloy 45
5
4
4
5
- 2500 2500
0
1
6000
50
Per 2 7 - 8000 1000 1 16
80
malloy 78 1 8 00 0000
Per
malloy 4-79
1
6
7
9
4
Mo
2000
0
8000
0
8
700
57
Hip
ernik
5
0
5
0
- 4000 8000
0
1
6000
35
Mu
metal
1
8
7
5
2
Cr, 5Cu
2000
0
1100
00
7
200
60
Su
permalloy
1
5
7
9
5
Mo
1000
00
8000
00
8
000
60
- Ligas ferro-cobalto – O sistema Fe-Co é o que apresenta maior intensidade
de saturação, com valores de 4 ¶ Is da ordem de 24200 gauss. Esse valor de B-H
para o ferro é de 21600, para as ligas de Fe-Si (1%) é de 21000 e para o Fe-Si (4-
5%), de 19000.
Esta característica associada aos valores de indução B, na faixa de H = 10
a 400 oersteds, possibilita reduções da ordem de 20% no peso das máquinas
elétricas. Tal propriedade se manifesta em torno de 40% de cobalto, o que restringe
a aplicação dessas ligas devido ao elevado custo desse metal.
Existem dois tipos comerciais:
“Hiperco”, com 35% de cobalto, usado nas aplicações das ligas Fe-Si.
81
“Permendur”, com 50% de cobalto, cujo uso é restrito a aplicações muito
especiais em circuitos telefônicos.
4.2 – Materiais com permeabilidade constante
Os equipamentos telefônicos e radiofônicos exigem materiais com
permeabilidade constante, para evitar distorções na forma das ondas. Para isso,
empregam-se materiais cuja permeabilidade não varia com o campo magnetizante,
se este for mantido dentro de certos limites.
Essa propriedade pode ser conseguida à custa de tratamentos térmicos,
deformações plásticas, densidade de fases não magnéticas, ou entreferros, em
certas composições químicas. A aplicação de temperaturas elevadas de
recozimento, esforços de tração, ou resfriamento em campos magnéticos destroem
essa permeabilidade constante.
É ainda no sistema Fe-Ni que se encontra a maioria dos materiais com essa
característica. Por exemplo, as ligas Conpernick, com 40-60% de Ni, dão
permeabilidade constante em densidades de fluxo até 100 gauss, quando encruadas
e recozidas entre 500°C e 800°C.
O Perminvar (fig. 196), que é uma liga com 30% de Fe 45% de Ni e 25% de
Co, quando recozida 25 horas a 425°C, dá a curva de magnetização representada
por (B) na referida figura.
Adicionando-se 3-4% de alumínio e 10-15% de cobre às ligas com 40-50%
de Ni e encruando-se até 90% de redução, obtêm-se o Isoperm (fig. 197). Um
recozimento a1000°C depois de um encruamento prévio tem influência nos
resultados obtidos no encruamento final, o que leva a crer que o mecanismo do qual
decorre essa permeabilidade constante seja um processo de precipitação, ativada
pelo encruamento final.
82
Ainda na categoria de materiais de permeabilidade constante, têm-se os
núcleos de pós de materiais magnéticos aglomerados com materiais isolantes.
Obtêm-se por esse método materiais com permeabilidade controlada e com alta
resistividade, adequado ao emprego em alta freqüência. Neste caso, pode-se utilizar
materiais os mais diversos, pois o aglomerado não metálico, que constitui a fase
contínua do compactado, vai modificar a curva de magnetização, como mostra a
figura 198. Permeabilidades de 20 a 80 podem ser obtidas em núcleos para
aparelhos telefônicos e de 5 a 20 para rádio freqüência, com variação com o campo
magnetização inferior a 10%.
4.3 – Materiais para ímãs permanentes
Este grupo é constituído pelos materiais magneticamente duros, isto é, com
alta remanência e alta força coerciva. Embora a maioria destes materiais seja
mecanicamente duro, não há necessariamente uma correlação entre a dureza
mecânica e a resistência à desmagnetização, pois existem materiais cuja força
coerciva aumenta com a diminuição da dureza.
Nos aços, o estado de tensões internas resultantes de deformações
elásticas do reticulado favorece as propriedades magnéticas exigidas nos ímãs
permanentes. Desse modo, os aços temperados, ou as ligas que são suscetíveis de
endurecer por precipitação, dão melhores resultados que no estado recozido.
O critério para avaliação de um ímã permanente é o produto (BH)max
obtido de sua curva de desmagnetização. Esse produto é proporcional à máxima
energia magnética, no entreferro, por unidade de volume do material. Nas diversas
aplicações desses materiais, as condições de eficiência decorrem de projetos que
garantam densidades de fluxo correspondentes ao produto (BH)max.
83
A retenção do estado de magnetização depende dos seguintes fatores:
a) temperatura;
b) vibrações;
c) campos magnéticos externos;
d) produção de novos pólos.
A temperatura e uma das causas mais freqüentes pela perda de
magnetização. Os aços ao cobalto e ao cromo perdem seu magnetismo a 100°C e
os Alnicos a 300°C.
- Ímãs de aços martensíticos – Os aços com 1% de carbono, temperados,
apresentam como constituinte metalográfico a martensita, que é, como se sabe, uma
solução sólida metaestável de carbono em um reticulado tetragonal de ferro,
fortemente deformado.
Dentre os aços comuns, os que possuem essa estrutura são os que
apresentam melhores propriedades para ímãs permanentes, isto é, um produto
(BH)max mais elevado.
O alívio de estado de tensões, típico da presença de martensita, ou por
diminuição do teor de carbono, ou por um revenido, diminui o produto BH. Por outro
lado, a adição de elementos de liga que formem carbonetos estáveis que atuem
como centros de deformação do reticulado melhora as propriedades magnética.
84
Tem-se assim os aços com 5-6% de tungstênio que dão (BH)max = 0,34 X
106 , portanto, superior ao do aço comum com 1,14% de carbono que somente
atinge a 0,18 X 106 .
O cromo pode substituir o tungstênio e um aço com 5% de cromo e 1% de
carbono, temperado em óleo dá (BH)max = 0,28 X 106 .
No grupo dos aços martensíticos, os que apresentam melhores
característicos são os aços-cobalto. Uma análise típica é 35%Co, 2%Cr, 4%W e
0,90%C. Esse material temperado de 950°C em óleo dá (BH)max = 1,10 X 106 .
A Tabela 141 (267) apresenta os tipos mais usados de aços para ímãs
permanentes.
Tabela 141 – Tipos comerciais de aços para ímãs permanentes
T
ipo
de
Aç
o
Composição, (%) Propried
ades
magnéticas
Te
mperatura
de
têmpera
°C
M
eio de
têmper
aC M
n
C
r
W C
o
M
o
I
nduçã
o
residu
al
gauss
F
orça
coerciv
a
oersted
s
C
-Mn
0
,80
0
,80
- - - - 1
0000
4
3
790 Á
gua
C
r
0
,60
0
,40
0
,90
- - - 1
0000
5
0
790 Ó
leo
85
C
r
0
,90
0
,35
2
,25
- - - 9
000
5
8
815 Á
gua ou
Óleo
C
r
0
,95
0
,20-
0,60
3
,0-
4,0
- - - 9
500
6
3
830 Ó
leo
C
r
1
,00
0
,35
6
,00
- - - 9
000
7
2
845 Ó
leo
C
r-
Mo
1
,00
0
,35
4
,00
- - 0
,35
9
000
6
5
845 Ó
leo
W 0
,70
0
,30
0
,20
5
,50
- - 1
0000
6
5
845 Á
gua
W
-Cr
0
,70
0
,50
0
,50
6
,00
- - 9
000
7
0
830 Ó
leo
C
o-
Cr-
W
0
,90
0
,35
4
,75
1
,25
8
,50
- 7
500
1
20
900 Ó
leo
C
o-
Cr-
W
0
,90
0
,30-
0,85
3
,5-
7,0
3
,5-
7,0
3
5,00-
41,0
0
- 9
700
2
35
925 Ó
leo
C
o-
Cr-
Mo
0
,95
0
,30
9
,0
- 1
6,00
1
,30
8
000
1
80
* A
r
C
o-W
0
,85
0
,50
2
,0-
8 1 - 9 1 955 Ó
86
5,0 ,75 7,00 000 65 leo
*Tratamento térmico: aquecer a 1150°C e resfriar ao ar; reaquecer
a 620°C e resfriar ao ar; aquecer de novo a 1010°C resfriando em seguida ao ar.
- Ligas endurecíveis por precipitação – O estado de tensões internas
necessário para que uma matriz de ferro apresenta uma remanência e uma força
coerciva alta pode ser provocado pela precipitação de uma fase diferente da matriz.
Por exemplo, as ligas binárias Fe-W, com 28% de W, precipitam a fase Fe3W2, se
quando solubilizadas a 1430°C e temperadas, foram em seguida envelhecidas
a 760°C. Obtém assim um (BH)max = 1,02 X 106.
Outras ligas, sem carbono, como mostra a Tabela 142, dão melhores
resultados que os aços com elementos de liga. Todas necessitam de tratamentos
térmicos.
Tabela 142 – Tipos de ligas endurecíveis por precipitação para ímãs
permanentes
T
ipo
de
liga
Composição, (%) Propriedades
magnéticas
M
o
C
o
N
i
T
i
W Hc B
r
(B.
H.)max.
F
e-Mo-
Co
1
7
1
2
- - - 25
0
1
0500
1,1
X 106
F
e-W-
- 2
4
- - 2
7
14
9
9
600
1,4
X 106
87
Co
F
e-Mo
2
3,4
- - - - 21
9
7
000
1,5
X 106
F
e-Co-
Ni-Ti
- 3
0
1
6
1
2
- 92
0
6
350
2,0
X 106
Tabela 143 - Tipos de Alnico para ímãs permanentes
Lig
a
Composição, (%) Propriedades
magnéticas
Obs
ervações
A
l
N
i
C
o
O
utros
F
e
H
c
B
r
(B
.H.)max.
Alni
co I
1
2
2
0
5 - R
est.
4
40
7
200
1,
4 X 106
Duro
e frágil
Alni
co II
1
0
1
7
1
2,5
6
Cu
R
est.
5
50
7
200
1,
6 X 106
Duro
e frágil
Alni
co II
(sinterizado
)
1
0
1
7
1
2,5
6
Cu
R
est.
5
20
6
900
1,
4 X 106
Duro
Alni
co III
1
2
2
5
- - R
est.
4
50
6
700
1,
38 X 106
Duro
e frágil
Alni
co IV
1
2
2
8
5
,0
- R
est.
7
00
5
500
1,
3 X 106
Duro
e frágil
Alni
co V
8 1
4
2
4
3
Cu
R
est.
5
50
1
2500
4,
5 X 106
Duro
e frágil
88
Alni
co VI
8 1
5
2
4
3
Cu
1
Ti
R
est.
7
50
1
0000
3,
5 X 106
Duro
e frágil
Alni
co XII
6 1
8
3
5
8
Ti
R
est.
9
50
5
800
1,
5 X 106
Duro
e frágil
REFERÊNCIAS
http://www.essel.com.br/cursos/material/01/ProcessosFabricacao/
58proc3.pdf
http://www.slideshare.net/superleco/afiao-de-ferramentas
http://www.youtube.com/watch?v=hjzPxl5N9Mw
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