Técnico de Mecatrónica Automóvel - Nível IV Curso EFA
Código: 1524 Carga horária: 25 horas
UFCD: Materiais ferrosos, não ferrosos e não metálicos
Introdução ...............................................................................................................................................................2 Propriedades dos materiais .....................................................................................................................................3 Metais ......................................................................................................................................................................4 Estrutura dos metais............................................................................................................................................4 Liquidificação e solidificação dos metais .............................................................................................................4 Ligas metálicas .....................................................................................................................................................4 Algumas aplicação de materiais ..........................................................................................................................5 Metais ferrosos ........................................................................................................................................................6 Metais não ferrosos ...............................................................................................................................................10 Materiais não metálicos ........................................................................................................................................13 Conclusão ..............................................................................................................................................................16
Detalhe da UFCD: 1524 - Materiais - ferrosos, não ferrosos e não metálicos - 25 horas Objectivos
Identificar e caracterizar materiais ferrosos, não ferrosos e materiais não metálicos.
Conteúdos
Conceitos de massa, peso e densidade
Relações entre massa, peso e densidade
Aplicação dos conceitos em casos reais
Tipos de materiais ferrosos, não ferrosos e materiais não metálicos
Características e propriedades de materiais ferrosos, não ferrosos e materiais não metálicos
Utilizações dos materiais ferrosos, não ferrosos e os não metálicos
Tratamentos de materiais ferrosos
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Paulo Fidalgo
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Introdução No automóvel são empregues diversos tipos de materiais. Os materiais caracterizam-se por metálicos (ferrosos, não ferrosos) e não metálicos.Com uma variedade de aplicações; com propriedades conhecidas sob diversas condições de serviço; possibilidade de aperfeiçoamento de técnicas de fabricação e tratamento de novas ligas. Nos metais ferrosos temos o aço e o ferro fundido. Metais não ferrosos, que não têm ferro na sua composição, dividem-se em pesados e leves. Não metais, os sintéticos que se dividem em plásticos e resinóides, os naturais que são a fibra, madeira, couro, borracha, etc… No automóvel são usados metais de diferentes características como o aço mais tenaz para força de tracção e resistência, ou ligas de metal com ductilidade e não se deformarem onde se exige um esforço elevado, como o bloco de motor, articulações, chassis e braços de suspensão. Nos não metais, sintéticos e polímeros desenvolvidos para substituir metais mais pesados na carroçaria e também os elastómeros. Naturais como a as fibras e o couro também são usados em diversos componentes de automóvel. O tipo de material utilizado na fabricação de determinado produto depende de factores condicionantes do projecto, como: função do produto ou de um componente do produto; solicitações a que estará sujeito; condições de uso, viabilidade económica, etc. Para se encontrar respostas acerca do mais viável para determinado fim, existe uma selecção dos materiais mais adequados, quais os processos e mecanismos usados, uma profunda aquisição de conhecimentos e a própria construção do mesmo.
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Propriedades dos materiais Na construção das diversas peças são observadas as propriedades físicas e mecânicas inerentes a desempenhar uma função. Maior parte dos materiais não são empregues no seu estado puro, é preciso serem transformados com propriedades e características desejadas como: aumentar a plasticidade; aumentar a condutividade eléctrica; aumentar a resistência à corrosão, baixar a densidade; aumentar ou diminuir o ponto de fusão; elevar a dureza; elevar a resistência mecânica; diminuir o custo; aumentar a tenacidade. As propriedades de substâncias se identificam pela sua cor, cheiro, dureza, estado físico (sólido, líquido, gasoso), brilho, condutividade eléctrica e térmica, ponto de fusão, ponto de ebulição, massa volúmica ou densidade, etc. Densidade ( ): relacionada com o grau de compactação de um material, é a massa m volúmica ou volumétrica. Definisse pelo quociente entre a massa e o volume, .A v massa é representada pela unidade SI - Kg, o volume por metros cúbicos, sendo (ró) o símbolo da densidade (Kg/m3). Densidade de alguns metais (g/cm3): Alumínio 2,70; Bário 3,59; Berílio 1,85;Bismuto 8,90; Cádmio 8,65; Cálcio 1,53; Césio 1,87; Crômio 7,19; Cobalto 8,80; Cobre 8,93; Gálio 5,91; Ouro 19,28; Ferro 7,87; Chumbo 11,34; Lítio 0,53; Magnésio 1,74; Manganês 7,47; Níquel 8,91; Estanho 7,29; Platina 21,45; Paládio 12,00; Mercúrio 13,55; Prata 10,50; Titânio 4,55; Tungsténio 19,30; Urânio 18,95; Zinco 7,14. O ferro é mais denso que o alumínio ou possui uma massa volúmica maior. Pois os dois com o mesmo volume (1 cm3) o ferro tem maior massa que o alumínio. O instrumento para medir a massa é a balança. Já a força com o símbolo SI newton (N) é medido pelo dinamómetro. 1 Kg é mais ou menos equivalente a 9,8 N. Exemplo: 156g de ferro com um volume de 20 cm 3, = 156/20, o que dá a densidade de 7,8 g/cm3. Resistência: capacidade de resistir a um tipo de esforço até se deformar, quer por tracção, compressão, flexão, cisalhamento, flambagem. A deformação pode ser plástica (permanente) que não volta à sua forma original depois de terminado o esforço e elástica que volta à forma original como exemplo a mola de aço. Fragilidade: materiais com baixa resistência ao choque. Materiais muito duros tendem a quebrar com facilidade como o ferro fundido (FoFo) e o vidro. Ductilidade: com alta resistência ao choque ou outros esforços como o cobre (Cu). Tenacidade: Resistente com boas características de alongamento para suportar grandes esforços de torção, tracção e flexão sem se romper. Dureza: resistência ao desgaste e que se opõe à penetração de outro corpo.
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Metais Metal é uma substância química elementar com boa condutibilidade térmica e eléctrica, podendo ser opaca ou lustrosa (reflectora de luz), quando devidamente polida. Possui ductilidade e plasticidade e geralmente é mais pesado do que outros materiais. Alguns metais se encontram no estado puro na natureza, mas a maioria se apresenta combinado com outros elementos, cuja combinação caracteriza os minerais. O cobre, o ouro e a prata, além de outros metais, ocorrem na natureza em estado puro e impuro.
Estrutura dos metais Na solidificação dos metais há uma contracção de volume com uma menor separação entre os átomos. Os átomos encontram-se em movimento e possuem uma energia cinética em torno de determinadas posições em relação uns aos outros, apresentando uma ordenação geométrica nos metais sólidos e outros materiais não metálicos, que se dá o nome de Estrutura cristalina. O processo de resfriamento irá dar a dimensão da rede da estrutura que na sua transformação irá dar as propriedades e funções.
Liquidificação e solidificação dos metais O que diferencia os vários estados é o grau de agregação dos átomos. No sólido os átomos estão fortemente ligados, no líquido é menos forte e no gasoso sem ligação. A mudança de um estado para o outro dá-se pela transferência de calor, energia. A fusão ocorre em duas fases distintas: ao receber energia os átomos aumentam a sua vibração, gerando um aumento de temperatura do corpo até ao ponto de fusão. No ponto de fusão a energia que o corpo recebe já não aumenta as suas vibrações e temperatura (ponto de parada), enfraquecendo suas ligações e liquidificando. Designa-se por calor sensível para aumentar as vibrações e temperatura. E calor latente para enfraquecer ou destruir (vaporizar) as ligações atómicas. A temperatura só aumenta depois de liquefeito. No ponto de parada a agregação é sólido e líquido. No processo de resfriamento o processo ocorre na ordem inversa. Ponto de fusão de vários materiais: Aço 1400º a 1600º, FoFo 1200º a 1300º, Aço inox 1500º, Zinco 419º, Estanho (Sn) 232º, Cobre (Cu) 1083º, Chumbo (Pb) 327º, Latão (Cu+Zn) 900º a 1000º, Bronze (Cu+Sn), Alumínio (Al) 660º, Magnésio (Mg) 650º, Níquel (Ni) 1452º.
Ligas metálicas Ligas metálicas são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos e pelo menos um deles é metal. Há ligas formadas somente de metais e outras formadas de metais e semi-metais (boro, silício, arsénio, antimónio) e de metais e nãometais (carbono, fósforo). O ferro e suas ligas são os metais e ligas mais usados. São misturas em solução de dois ou mais metais. Solução é uma mistura que não se consegue distinguir os seus diversos componentes. Cada componente de uma mistura possível de distinguir é chamado de fase. Os aços têm uma solução sólida de Fe e C, chamada de cementita. Metais utilizados na indústria são na maior parte ligas de uma ou mais fases. Mistura de dois ou mais metais formando uma rede cristalina conjunta, solubilizados entre si no estado líquido e sólido, a solução no estado sólido chama-se de cristal misto (Ex.:Cu-Ni,Cu-Au). Mistura tendo cada um a sua rede cristalina é uma solução sólida de mistura de cristais (Ex.:Cd-Zn,Al-Si), só são solúveis no estado líquido. Quando a curva de Página 4 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. resfriamento duma mistura é igual ao metal puro se tem uma concentração definida. Uma liga eutética tem o ponto líquido mais baixo e o material excedente solidifica e a sua segregação demora até que a fusão restante chegue à sua temperatura eutética. Ligas Eutéticas Componentes Ferro Fundido (FoFo) Ferro 96% Carbono 4% Solda prata Cobre 55% Prata 45% Alumínio fundido Alumínio 88% por pressão Silício 12% Chumbo duro Chumbo 87% Antimônio 13%
Temp.Fusão 1535ºC 3840ºC 1083ºC 961ºC 660ºC 1414ºC 527ºC 630ºC
Eutético 1200ºC 620ºC 577ºC 251ºC
Combinações Intermetálicas: são combinações entre metais e não metais. Exemplo: Fe3C, Ca-Mg, Cu-Mg. A rede cristalina é complexa. Galvanização: processo de tratamento superficial do metal, para a protecção contra a acção corrosiva directa de agentes externos (barreira) ou contra a acção catódica (efeito pilha em que se cria uma diferença de potencial). Ex.: imersão do aço em zinco fundido (o zinco se corrói porque é mais anódico)..
Algumas aplicação de materiais Aço inox em talhares e contentores de líquidos corrosivos; Chapa galvanizada em calhas, baldes e peças expostas a corrosão; Zinco em zincagem de chapas; Estanho em solda e folha de flandres em enlatados; Cobre em fio eléctrico e ligas de metais; Chumbo em acumuladores, martelos e sifões; Latão em torneiras e molduras metálicas; Bronze em buchas para articulações, bustos de estátuas; Alumínio em utensílios domésticos, caixilharias portas e janelas, liga com outros metais; Magnésio em rodas de carros, blocos de motor; Estanho, níquel e magnésio têm muitas aplicações, tanto em ligas, como no estado puro. Cromo, tungsténio em filamento de lâmpadas; titânio em prótese de válvulas cardíacas e de fémur, implantes dentários, etc.
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Metais ferrosos O ferro é o metal mais usado, com 95% em peso da produção mundial de metal. De baixo preço e dureza, especialmente empregado em fundição de peças em carcaças de máquinas. O aço a partir do ferro é aplicado em construção, pontes, máquinas, motores, automóveis, barcos, pontes e estruturas de edifícios. É o metal de transição mais abundante da crosta terrestre, e quarto de todos os elementos. Extraído através da fundição de minérios com teor em carbono acima dos 2%. Entre os metais, somente o alumínio é mais abundante. É um material tenaz, de grande resistência quando sofre o impacto duma energia mecânica, de tracção. O ferro fundido (FoFo) com teor em carbono acima dos 2% do seu peso e vai até aos 4,5%., e o aço, (produto siderúrgicos: liga Fe-C) com teor de carbono inferior a 2%. Aço de construção tem um teor de carbono entre 0,2 e 0,5%. As propriedades de um aço dependem do valor do teor de carbono, mas também da presença eventual de outros elementos de liga, tais como o silício, o cobre, o manganésio, o níquel e o vanádio. No processo de fundição o ferro é extraído em altos fornos usando o coque (derivado do carvão betuminoso) como elemento carburante, reduzindo os óxidos do minério com carbono quando submetido a altas temperaturas (acima dos 1100 0C) e de imediato segue um processo de refinação para eliminar as impurezas. A hematita (Fe2O3), a magnetite (Fe3O4), a limonita (FeO(OH)), a siderita (FeCO3), a pirita (FeS2) e a ilmenita (FeTiO3) são exemplos de minérios de ferro encontrados na natureza. As características do ferro dependem do processo da sua extracção. O seu núcleo tem uma alta energia de ligação que lhe confere características de grande resistência e dureza. As suas características dependem do seu processo de fundição que é obtida a gusa e refinação, extraindo impurezas pelos convertidores e escórias. O carbono dá ao ferro mais dureza, mas baixa-lhe o ponto de fusão e a maleabilidade. Aumenta a sua tenacidade e a sua aptidão para a tempera, mas torna-o menos soldável. O enxofre é uma das impurezas mais prejudiciais, reduz-lhe a resistência, a forjabilidade e torna-o menos soldável. O fósforo torna o ferro quebradiço, diminui a sua tenacidade e aumenta a fluidez. O manganês aumenta a dureza e a resistência, mas dificulta a maleabilidade. O silício endurece a fundição, torna o ferro mais macio e compacto, diminui a maleabilidade e a forjabilidade. O ferro fundido tem na sua composição maior percentagem de ferro, pequena percentagem de carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo. Tipos mais comuns de ferro fundido: ferro fundido cinzento e o ferro fundido branco. Ferro fundido cinzento - Características: Fácil de ser fundido e moldado em peças; Fácil de ser trabalhado por ferramentas de corte; Absorve muito bem as vibrações, condição que torna ideal para corpos de máquinas; Quando quebrado, sua face apresenta uma cor cinza escura, devido o carbono se encontrar combinado com o ferro, em forma de palhetas de grafite; Percentagem de carbono variável entre 3,5% a 4,5%. Página 6 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. Ferro fundido branco - Características: Difícil de ser fundido; Muito duro, difícil de ser usinado, só podendo ser trabalhado com ferramenta de corte especiais; É usado apenas em peças que exijam muito resistência ao desgaste; Quando quebrado, sua face apresenta-se brilhamte, pois o carbono apresenta-se totalmente combinado com o ferro; Percentagem de carbono variável entre 2% e 3%. O ferro fundido cinzento, devido às suas características, têm grande aplicação na indústria. O ferro fundido branco é utilizado apenas em peças que requerem elevada dureza e resistência ao desgaste. No processo de desoxidação obtêm-se diversos tipos de aço: Aços efervescentes – fraca desoxidação com manganésio, são aços facilmente soldáveis, mas as suas características mecânicas não são muito elevadas e são muito irregulares; Aços semi-acalmados – desoxidação com manganésio com junção de silício e alumínio. São mais resistentes que os anteriores. Utilizam-se nos perfis e chapas; Aços acalmados – elementos de desoxidação (Mn, Si, Al, Ti, No, Va) são doseados de modo a se obter um grão fino. Possuem excelentes propriedades mecânicas. Ferrite - Máximo de carbono na liga igual a 0.02% a uma temperatura de 723°C. Baixas dureza e resistência à tracção. Características magnéticas. Cementite (F3C) -máximo teor de carbono 6,67%. elevadas resistência (2000MPa , valor estimado) e dureza. Baixa ductilidade. Austenite - Não magnética. Boa resistência existente acima da temperatura critica de 723°C. Estrutura cúbica de faces centradas. Percentagem de carbono variável entre 0.8% a 723°C e 2.08% a 1148ºC. Perlite - estrutura tetragonal de corpo centrado. propriedades intermédias entre a ferrite e a cementite (700MPa , valor estimado). A perlite desenvolve-se no arrefecimento lento do aço presente nos aços recozidos (aquecimento acima da zona crítica e arrefecimento lento) O aço obtém-se baixando a percentagem do nível de carbono no ferro gusa, que pode variar entre os 0,05% e 1,7%. Suas principais características são: pode ser trabalhado com ferramenta de corte; pode ser curvado; pode ser dobrado; pode ser forjado; pode ser soldado; pode ser laminado; pode ser estirado (trefilado); possui grande resistência à tracção. Pode se obter os aços ao carbono e os aços especiais ou aços-liga. Aço ao carbono: são os que contém além do ferro, pequenas percentagens de carbono, manganês, silício, enxofre e fósforo. Os elementos mais importantes do aço ao carbono são o ferro e o carbono. O manganês e silício melhoram a qualidade do aço, enquanto que o enxofre e o fósforo são elementos prejudiciais. O ferro é o elemento básico da liga e o carbono o segundo mais importante do aço. A quantidade de carbono define a resistência do aço. Um aço com 0,50% é mais resistente que um aço com 0,20% de carbono. Além disso, os aços com percentagem acima de 0,35% de carbono podem ser endurecidos por um processo de aquecimento e resfriamento rápido denominado têmpera. A percentagem aproximada de carbono de um aço pode ser reconhecida na prática pelas fagulhas que desprendem ao ser Página 7 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. esmerilhado. Um aço designado por 1020, por exemplo, tem 0,20% de carbono. Para os diferentes usos industriais, o aço é encontrado no comércio na forma de vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios. • Aço 1006 a 1010 - (Extra-macio): Resistência à ruptura - 35 a 45 kg/mm2; teor de carbono 0,05% a 0,15%; não adquire têmpera; grande maleabilidade, fácil de soldar-se; usado em chapas, fios, parafusos, tubos estirados, produtos de caldeiraria, etc. • Aço 1020 a 1030 - (Macio): Resistência à ruptura - 45 a 55 kg/mm2; teor de carbono - 0,15% a 0,30%; não adquire têmpera; maleável e soldável; usado em barras laminadas e perfiladas, peças comuns de mecânica, etc. • Aço 1030 a 1040 - (Meio macio): Resistência à ruptura - 55 a 65 kg/mm2; teor de carbono 0,30% a 0,40%; apresenta início de têmpera; difícil para soldar; usado em peças especiais de máquinas e motores, ferramentas para a agricultura, etc. • Aço 1040 a 1060 - (Meio duro: Resistência à ruptura - 65 a 75 kg/mm2; teor de carbono 0,40% a 0,60%; adquire boa têmpera; muito difícil para soldar-se; usado em peças de grande dureza, ferramentas de corte, molas, trilhos, etc. • Aço acima de 1060 - (Duro a extra-duro): Resistência à ruptura - 75 a 100 kg/mm2; teor de carbono - 0,60% a 1,50%; tempera-se facilmente: não solda; usado em peças de grande dureza e resistência, molas, cabos, cutelaria, etc. Resistência à ruptura: Aço 60 kg/mm2, significa que um fio desse aço, com uma secção de 1mm2, rompe-se quando se aplica em seus extremos um esforço de tração de 60 kg. Aços especiais ou aços-ligas: Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência levaram à descoberta de aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos no aço ao carbono. Conseguiram-se assim aços-liga com características tais como resistência à tracção e à corrosão, elasticidade, dureza, etc., bem melhores que a dos aços ao carbono comuns. Conforme as finalidade desejadas, adiciona-se ao aço-carbono um ou mais dos seguintes elementos: níquel, cromo, manganês, tungstênio, cobalto, vanádio, silício, molibdênio e alumínio. Dessa forma, são obtidos aços de grande emprego nas indústrias, tais como: Aço cromo (inoxidável); Aço silício manganês; Aço rápido; Aço cromovanádio; Aço cobalto; Aço cromo-níquel. 1) Aços Níquel 1 a 10% de Níquel - Resistem bem à ruptura e ao choque, quando temperados e revenidos. Usos - peças de automóveis, máquinas, ferramentas, etc. - 10 a 20% de Níquel - Resistem bem à tracção, muito duros - temperáveis em jato de ar. - 20 a 50% de Níquel - Resistentes aos choques, boa resistência eléctrica, etc. Usos válvulas de motores térmicos, resistências eléctricas, cutelaria, instrumentos de medida, etc. 2) Aços Cromo até 6% Cromo - Resistem bem à ruptura, são duros, não resistem aos choques. Usos - esferas e rolos de rolamentos, ferramentas, projécteis, blindagens, etc. - 11 a 17% Cromo - Inoxidáveis. Usos - aparelhos e instrumentos de medida, cutelaria, etc. - 20 a 30% de Cromo - Resistem à oxidação, mesmo a altas temperaturas.. Usos - válvulas de motores a explosão, fieiras, matrizes, etc. 3) Aços Cromo-Níquel 8 a 25% Cromo, 18 a 15% de Níquel - Inoxidáveis, resistentes à acção do calor, resistentes à corrosão de elementos químicos. Usos - portas de fornos, retortas, tubulações de águas salinas e gases, eixos de bombas, válvulas e turbinas, etc. 4) Aços Manganês 7 a 20% de Manganês - Extrema dureza, grande resistência aos choques e ao desgaste. Usos - mandíbulas de britadores, eixos de carros e vagões, agulhas, cruzamentos e curvas de trilhos, peças de dragas, etc. Página 8 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. 5) Aços Silício1 a 3% de Silício - Resistências à ruptura, elevado limite de elasticidade e propriedades de anular o magnetísmo. Usos - molas, chapas de induzidos de máquinas elétricas, núcleos de bobinas elétricas, etc. 6) Aços Silício-Manganês 1 silício, 1% de Manganês - Grande resistências à ruptura e elevado limite de elasticidade. Usos - molas diversas, molas de carros e vagões, etc. 7) Aços Tungstênio 1 a 9% de tungstênio - Dureza, resistência à ruptura, resistência ao calor da abrasão (fricção) e propriedades magnéticas. Usos - ferramentas de corte para altas velocidades, matrizes, fabricação de ímãs, etc. 8) Aços Cobalto - Propriedades magnéticas, dureza, resistência à ruptura e alta resistência à abrasão, (fricção). Usos - ímãs permanentes, chapas de induzidos, etc. Não é usual o aço cobalto simples. 9) Aços Rápidos 8 a 20% de tungstênio, 1 a 5% de vanádio, até 8% de molibdênio, 3 a 4% de cromo - Excepcional dureza em virtude da formação de carboneto, resistência de corte, mesmo com a ferramenta aquecida ao rubro pela alta velocidade. A ferramenta de aço rápido que inclui cobalto, consegue usinar até o aço-manganês de grande dureza. Usos ferramentas de corte de todos os tipos para altas velocidades, cilindros de laminadores, matrizes, fieiras, punções, etc. 10) Aços Alumínio-Cromo 0,85 a 1,20% de alumínio, 0,9 a 1,80% de cromo - Possibilita grande dureza superficial por tratamento de nitrelação - (termo-químico). Usos - camisas de cilindro removíveis de motores a explosão e de combustão interna, virabrequins, eixos, calibres de medidas de dimensões fixas, etc. Aços Inoxidáveis: caracterizam-se por uma resistência à corrosão superior à dos outros aços. Têm um teor mínimo de cromo da ordem de 12%. A corrosão é a destruição de um corpo sólido a partir da superfície por processos químicos e/ou electroquímicos”. O processo mais frequente que provoca esta destruição é o ataque do metal pelo oxigénio da atmosfera. Porém o aço pode ser atacado e destruído por outras substâncias, tais como ácidos, álcalis e outras soluções químicas. Este ataque puramente químico, pode ser favorecido por processos electroquímicos. O elemento de liga principal que garante a resistência à corrosão é o cromo. Os aços inoxidáveis devem manter-se permanentemente em presença de oxigénio ou de uma substância oxidante que tornam insensível a superfície dos aços aos ataques corrosivos de substâncias oxidantes e diz-se então que o aço está passivado. Quando o meio em que está exposto o aço inoxidável não contiver oxigénio, a superfície não pode ser passivada. Nestas condições a superfície é considerada ativada e o comportamento do aço quanto à corrosão dependerá só da sua posição na série galvânica dos metais em relação ao meio corrosivo. Os aços inoxidáveis devem resistir à corrosão de soluções aquosas, gases / quentes ou líquidos de alto ponto de ebulição até a temperatura de cerca 650ºC. Acima desta temperatura já entramos no campo dos Aços Resistentes ao Calor. A classificação mais usual e prática dos aços inoxidáveis é a baseada na microestrutura que eles apresentam em temperatura ambiente, a saber: Aços inoxidáveis ferríticos (não temperáveis); Aços inoxidáveis martensíticos (temperáveis); Aços inoxidáveis austeníticos. Os aços dos dois primeiros grupos são ligados com cromo e eventualmente com até 2,5% de níquel podendo conter ainda molibdênio até cerca de 1,5%. Os aços do terceiro grupo são ligados com cromo e níquel podendo contar ainda molibdênio e em alguns casos titânio ou nióbio e tântalo.
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Metais não ferrosos Metais não ferrosos são ligas de metal com pouca ou nenhuma predominância do ferro. Sofrem menos contaminação por corrosão que o ferro. Os pesados com densidade > 5Kg/dm3 como cobre, estanho, zinco, chumbo, platina. Os leves com densidade < 5Kg/dm3 como alumínio, magnésio, titânio. O cobre é um metal vermelho-marrom, que apresenta ponto de fusão corresponde a 1.083ºC e densidade correspondente a 8,96 g/cm 3(a 20ºC), sendo, após a prata, o melhor condutor do calor e da eletricidade. Sua resistividade elétrica é de 1,7 x 10 -6 ohm-cm (a 20º). Por este último característico, uma de suas utilizações principais é na indústria elétrica. O Cobre apresenta ainda excelente deformabilidade. Além disso, o cobre possui boa resistência à corrosão: exposto à ação do ar, ele fica, com o tempo, recoberto de um depósito esverdeado. A oxidação, sob a ação do ar, começa em torno de 500ºC. Não é atacado pela água pura. Por outro lado, ácidos, mesmo fracos, atacam o cobre na presença do ar. Apresenta, finalmente, resistência mecânica e característicos de fadiga satisfatórios, além de boa usinabilidade, cor decorativa e pode ser facilmente recoberto por eletrodeposição ou por aplicação de verniz. O cobre, forma uma série de ligas muito importantes. Os principais tipos de cobre são: • cobre eletrolítico tenaz (Cu ETP) fundido do cobre eletrolítico, contem mínimo 99,90% cobre ( prata até 0,1%); • cobre refinado a fogo de alta condutibilidade (Cu FRHC),contendo mínimo 99,90% de cobre (incluída a prata); • cobre refinado a fogo tenaz (Cu FRTP), fundido a partir do tipo anterior, contendo de 99,80% a 99,85% no mínimo de cobre (incluída a prata); • cobre desoxidado com fósforo, de baixo teor de fósforo (Cu DLP), obtido por vazamento em molde, isento de óxido cuproso por desoxidação com fósforo, com um teor mínimo de 99,90% de cobre (e prata) e teores residuais de fósforos (entre 0,004 e 0,012%); • cobre desoxidado com fósforo, de alto teor de fósforo (Cu DHP), obtido como o anterior, com teor mínimo de cobre (e prata) de 99,80% ou 99,90% e teores residuais de fósforo (entre 0,015 e 0,040%); • cobre isento de oxigénio (Cu OF), do tipo eletrolítico, de 99,95% a 99,99% de cobre (e prata); processado de modo a não conter nem óxido cuproso e nem resíduos desoxidantes; Os latões comuns são ligas de cobre-zinco, podendo conter zinco em teores que variam de 5 a 50%, o que significa que existem inúmeros tipos de latões. A presença do zinco, obviamente, altera as propriedades do cobre. À medida que o teor de zinco aumenta, ocorre também uma diminuição da resistência à corrosão em certos meios agressivos, levando à “dezinficação”, ou seja, corrosão preferencial do zinco. No estado recozido, a presença de zinco até cerca de 30% provoca um ligeiro aumento da resistência à tracção, porém a ductilidade aumenta consideravelmente. Nessa faixa de composição, pode-se distinguir vários tipos representados na Tabela I, com as respectivas propriedades mecânicas. Os valores das propriedades estão representadas numa larga faixa, devido à condição da liga - se recozida ou mais ou menos encruada. • cobre-zinco 95-5 - devido a sua elevada conformabilidade a frio, é utilizado para pequenos cartuchos de armas; devido a sua cor dourada atraente, emprega-se na confecção de medalhas e outros objectos decorativos cunhados como emblemas e placas Página 10 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. • cobre-zinco 90-10 - também chamado de bronze comercial; de características semelhantes ao tipo anterior, sua principais aplicações são feitas na confecção de ferragens, condutos, peças e objetos ornamentais e decorativos tais como emblemas, estojos, medalhas etc.; • cobre-zinco 85-15 - também chamado latão vermelho; características e aplicações semelhantes às ligas anteriores; • cobre-zinco 80-20 - ou latão comum - idem; • cobre-zinco 70-30 - também chamado latão para cartuchos - combina boa resistência mecânica e excelente ductilidade, de modo que é uma liga adequada para processos de estampagem; na construção mecânica, as aplicações típicas são cartuchos para armas, tubos e suportes de tubo de radiadores de automóveis, carcaças de extintores de incêndio e outros produtos estampados, além de pinos e rebites. Outras aplicações incluem tubos para permutadores de calor, evaporadores, aquecedores e cápsulas e roscas para lâmpadas; • cobre-zinco 67-33 - embora, apresentando propriedades de ductilidade ligeiramente inferiores ao tipo 70-30, as aplicações são idênticas. A partir de 37% de zinco, nota-se uma queda mais acentuada na ductilidade. Os latões desse tipo, indicados na Tabela I, com as respectivas propriedades, têm as seguintes aplicações: • cobre-zinco 67-37 - na fabricação de peças pro estampagem leve, como componentes de lâmpadas e chaves elétricas, recipientes diversos para instrumentos, rebites, pinos, parafusos componentes de radiadores etc.; • cobre-zinco 60-40 - chamado metal Muntz - esta liga de duas fases presta-se muito bem a deformações mecânicas a quente. É geralmente utilizada na forma de placas, barras e perfis diversos ou componentes forjados para a indústria mecânica; na indústria química e naval, emprega-se na fabricação de tubos de condensadores e permutadores de calor. Nos bronzes (CuSn) comerciais o teor de estanho varia de 2 a 10%, podendo chegar a 11% nas ligas para fundição. À medida que aumenta o teor de estanho, aumentam a dureza e as propriedades relacionadas com a resistência mecânica, sem queda da ductilidade. Essas ligas podem, geralmente, ser trabalhadas a frio, o que melhora a dureza e os limites de resistência à tração e escoamento, como está indicado na Tabela, pelas faixas representativas dos valores dessas propriedades. As propriedades são ainda melhoradas pela adição de até 0,40% de fósforo, que atua como desoxidante; nessas condições, os bronzes são chamados fosforosos.Os bronzes possuem elevada resistência à corrosão, o que amplia o campo de seu emprego. Freqüentemente adiciona-se chumbo para melhorar as propriedades lubrificantes ou de anti fricção das ligas, além da usinabilidade. O zinco é da mesma forma eventualmente adicionado, atuando como desoxidante em peças fundidas e para a resistência mecânica. As principais aplicações dos vários tipos de bronze são as seguintes: • tipo 98-2 - devido a sua boa condutibilidade elétrica e melhor resistência mecânica que o cobre, é empregado em contatos, componentes de aparelhos de telecomunicação, molas condutoras etc,; em construção mecânica, como parafusos com cabeça recalcada a frio, tubos flexíveis, rebites, varetas de soldagem etc.; • tipo 96-4 - em arquitetura; em construção elétrica, como molas e componentes de interruptores, chaves, contatos e tomadas; na construção mecânica, como molas, diafragmas, parafusos com cabeça recalcada a frio, rebites, porcas etc.;
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. • tipo 95-5 - em tubos para água ácidas de mineração, componentes para as indústrias têxteis, químicas e de papel; molas, diafragmas, parafusos, porcas, rebites, varetas de soldagem etc.; • tipo 94-6 - mesmas aplicações anteriores em condições mais críticas, devido a sua maior resistência à fadiga e desgaste. Produzido também nas formas de chapas, barras, fios e tubos; • tipo 92-8 - melhor resistência à fadiga e ao desgaste; na forma de chapas, barras, fios e tubos. Além das aplicações da liga anterior, emprega-se em discos antifricção, devido a suas características antifricção; • tipo 90-10 - é a liga, entre os bronzes, que apresenta as melhores propriedades mecânicas, sendo por isso a mais empregada. Entre algumas aplicações típicas, incluem-se molas para serviços pesados. O alumínio (Al) é muito abundante à superfície e fácil a sua extracção. Mais leve, tendo um terço da densidade do aço maciço e de maior duração porque se degrada menos, fácil de maquinar, reciclável. Tem grande capacidade de absorver a energia. Sua macieza é uma desvantagem na sua deformação, sua fraca resistência eléctrica torna difícil a soldadura. Sua densidade é 2,7 g/cm3 a 20ºC, seu ponto de fusão corresponde a 660ºC e o módulo de elasticidade é de 6.336 kgf/mm2. Apresenta boa condutibilidade térmica e relativamente alta condutibilidade elétrica (62% da do cobre). É não-magnético e apresenta baixo coeficiente de emissão térmica. Essas características, além da sua abundância, vêm tornando o alumínio o metal mais importante, após o ferro. O baixo peso específico do alumínio torna-o de grande utilidade em equipamento de transporte - ferroviário, rodoviário, aéreo e naval - e na indústria mecânica, numa grande variedade de aplicações. O baixo ponto de fusão, aliado a um elevado ponto de ebulição (cerca de 2.000ºC) e a uma grande estabilidade a qualquer temperatura, torna a fusão e a moldagem do alumínio muito fáceis. A condutibilidade térmica, inferior somente às da prata, cobre e ouro, o torna adequado para aplicações em equipamento destinado a permutar calor. Sua alta condutibilidade eléctrica e ausência de magnetismo o tornam recomendável em aplicações na indústria eléctrica, principalmente em cabos condutores. O baixo factor de emissão o torna aplicável com solante térmico. Entretanto, a resistência mecânica é baixa; no estado puro (99,99% Al), o seu valor gira em torno de 5 a 6 kgf/mm2; no estado encruado (laminado a frio com redução de 75%) sobe para cerca de 11,5 kgf/mm2. É muito dúctil: alongamento de 60 a 70%. Apresenta boa resistência à corrosão, devido à estabilidade do seu principal óxido Al2O3 que se forma na superfície do metal. Essa resistência à corrosão é melhorada por anodização, que ainda melhora sua aparência, tornando-o adequado para aplicações decorativas. As ligas de alumínio não apresentam a mesma resistência à corrosão que o alumínio puro, de modo que quando se deseja aliar a maior resistência mecânica das ligas com a boa resistência à corrosão do alumínio quimicamente puro, utiliza-se o processo de revestimento da liga por capas de alumínio puro (“cladding”), originando-se o material “Alclad”. Pela sua alta ductilidade, é facilmente laminado, forjado e trefilado, para chapas, folhas muito finas, fios, tubos etc. O alumínio de pureza equivalente a 99,9% anodizado, tem característicos ópticos análogos aos da prata, aplicando-se, por exemplo, em reflectores. Com pureza equivalente a 99,5% utilizase em cabos eléctricos armados com aço, além de equipamentos variados na indústria química. Com pureza de 99%, sua principal aplicação é em artigos domésticos, principalmente para utilização em cozinhas. Página 12 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. O bloco do motor é uma peça fundida em aço ou alumínio que aloja os cilindros de um motor de combustão interna, bem como os suportes de apoio da cambota. Os blocos são, na sua maioria, de ferro fundido, material resistente, económico e fácil de trabalhar na produção em série. A resistência do bloco pode ser aumentada se for utilizada no seu fabrico uma liga de ferro fundido com outros materiais. Alguns blocos de motor são fabricados com ligas de metais leves, o que lhes diminui o peso e aumenta a condutibilidade calorífica; são, contudo, de preços elevados. Como são demasiado macios para resistir ao atrito dos êmbolos, os cilindros desses blocos têm de ser revestidos de camisas de ferro fundido. O êmbolo é um elemento metálico constituinte do motor de um automóvel, é um elemento cilíndrico, normalmente feito em alumínio, devidos as suas grandes capacidades dissipativas de calor, e resultante da sua fundição.
Materiais não metálicos Empregues em diversas aplicações: naturais como a madeira na carpintaria e construção civil, couro e fibras para estofos e outros acessórios de automóvel, vidro; sintéticos ou artificiais (plásticos, celulóides, acrílicos) produzidos quimicamente e cada vez maior a sua empregabilidade na componente automóvel, substituindo outros e conferindo uma melhor resistência, dúcteis, mais leves, melhor adaptabilidade e precisão, eficiente e económica. São resistentes à deterioração pela humidade, baixa condutibilidade térmica e eléctrica, ductilidade e durabilidade, conforto, fácil moldagem. Os polímeros são compostos químicos de elevada massa molecular, resultantes de reacções químicas e polimerização. O número de unidades estruturais repetidas numa macromolécula é chamado grau de polimerização. Em geral, os polímeros contêm os mesmos elementos nas mesmas proporções relativas que seus monómeros, mas em maior quantidade absoluta. A polimerização é uma reacção em que as moléculas menores (monómeros) se combinam quimicamente (por valências principais) para formar moléculas longas (macromoléculas), mais ou menos ramificadas com a mesma composição centesimal. Estes podem formar-se por reacção em cadeia ou por meio de reacções de poliadição ou policondensação. A polimerização pode ser reversível ou não e pode ser espontânea ou provocada (por calor ou reagentes). O etileno é um gás que pode polimerizar-se por reacção em cadeia, a temperatura e pressão elevadas e em presença de pequenas quantidades de oxigénio gasoso resultando uma substância sólida, o polieteleno. A polimerazação do etileno e outros monómeros pode efectuar-se à pressão normal e baixa temperatura mediante catalizadores, e é possível obter polímeros com cadeias moleculares de estrutura muito uniforme. Os radicais livres necessários para iniciar a reacção (atacar as moléculas do monómero) são produzidos por um iniciador, uma molécula que forma radicais livres a temperaturas baixas. Peróxido de benzoíla é um iniciador que se decompõe com facilidade em radicais fenilo.
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. Uma das principais e mais importantes características dos polímeros são as mecânicas. Segundo ela os polímeros podem ser divididos em termoplásticos, termoendurecíveis (termofixos) e elastômeros (borrachas). Plásticos: compostos de resinas naturais ou resinas sintéticas. Quase todas as resinas plásticas são de natureza orgânica, tendo em sua composição Hidrogênio, Carbono, Oxigênio e Azôto. As matérias-primas para a fabricação dos materiais plásticos provêm do carvão mineral, do petróleo ou de produtos vegetais. Bakelite, Durez, Resinox e Textolite são alguns exemplos. Componentes dos Materiais Plásticos 1. Resina - componente básico e que dá as principais características, o nome e a classificação do material plástico. 2. Massa - Material inerte, fibroso, reduz o custo, melhora a resistência ao choque, térmica, química e elétrica. São utilizados materiais como: pó de madeira, mica, celulose, algodão, papel, asfalto, talco, grafite, pó de pedra. Usualmente empregue no endurecimento a quente. 3. Plasticizantes - Líquidos que fervem a temperatura elevadas (entre 94º e 205ºC), para facilitar a corrida das resinas, na moldagem, e tornar mais flexível as partes acabadas. 4. Lubrificantes - Usam-se o óleo de linhaça, o óleo de rícino, a lanolina, o óleo mineral, a parafina, a grafite. Impedem que as peças moldadas se fixem aos moldes. 5. Colorantes. 6. Catalisadores ou Endurecedores - necessários no controle do grau de polimetrização da resina; consiste numa transformação química que aumenta o peso molecular do plástico. 7. Estabilizadores - São elementos que impedem deterioração, mudança de cor e conservam a mistura plástica até o momento da sua moldação. Os Termoplásticos, quando aquecidos, começam a amolecer a partir de cerca de 60ºC, podendo então ser moldado sem qualquer alteração de sua estrutura química (acrílicos, celulósicos, fluorcarbonos, nylon, polietilenos, poliestirenos, polivinils, proteínicos e naturais como shellac, asfalto, copal. Como aplicações temos: Policarbonato (PC) : Cd´s, garrafas, recipientes para filtros, componentes de interiores de aviões, coberturas translúcidas, divisórias, vitrines, etc. Poliuretano (PU): Esquadrias, chapas, revestimentos, molduras, filmes, estofamento de automóveis, em móveis, isolamento térmico em roupas impermeáveis, isolamento em refrigeradores industriais e domésticos, polias e correias. Policloreto de vinila ou cloreto de polivinila (PVC): Telhas translúcidas, portas sanfonadas, divisórias, persianas, perfis, tubos e conexões para água, esgoto e ventilação, esquadrias, molduras para teto e parede. Poliestireno (PS): Grades de ar condicionado, gaiútas de barcos (imitação de vidro), peças de máquinas e de automóveis, fabricação de gavetas de geladeira, brinquedos, isolante térmico, matéria prima do isopor. Polipropileno (PP): brinquedos, recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos, carcaças para eletrodomésticos, fibras, sacarias (ráfia), filmes orientados, tubos para cargas de canetas esferográficas, carpetes, seringas de injecção, material hospitalar esterilizável, autopeças (pára-choques, pedais, carcaças de baterias, lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças diversas no habitáculo), peças para máquinas de lavar. Polietileno Tereftalato (PET): Embalagens de bebidas, refrigerantes, água mineral, alimentos, produtos de limpeza, condimentos, tecidos, fios, sacarias, vassouras. Página 14 de 16
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos. Plexiglas: conhecido como vidro plástico. Os termoendurecíveis, sofrem alteração química da sua estrutura quando moldados e não podem ser amolecidos novamente pelo calor para uma operação de reforma. As temperaturas de moldagem são mais altas que as dos termoplásticos. Acabado resiste a temperaturas muito mais altas, sem deformação (Alkyds, epoxides, furan, inorgânicos, melaminos, fenólicos, poliesters, silicones e formaldeídos de uréia). Aplicações: Baquelite: tomadas, telefones antigos e no embutimento de amostras metalográficas. Poliéster: carroçarias, caixas d'água, piscinas, na forma de plástico reforçado (fiberglass). Borracha (Elastômero), com propriedades elásticas, obtidas por reticulação. Suporta grandes deformações antes de entrar em ruptura. Por muito tempo a única borracha conhecida era a natural (NR), látex coagulado de várias plantas, como a seringueira, a gomaelástica, o caucho e sóem 1909 o químico alemão Fritz Hofmann fez a primeira borracha sintética. . A maioria dos elastômeros são polímeros orgânicos, são excelentes combustíveis. Os elastômeros a base de silicone se distinguem por sua natureza mineral. Um elastômero é um material amorfo que possui uma temperatura de transição vítrea (Tg) baixa (normalmente inferior à -40ºC. Os elastômeros são obtidos a partir de polímeros lineares que, à temperatura ambiente (bem acima de sua Tg), são líquidos (muito viscosos); as forças coesivas entre as cadeias poliméricas são muito baixas, de mesma ordem de grandeza das existentes nos líquidos moleculares voláteis e nos gases. Cadeias macromoleculares são normalmente enoveladas, este estado é o resultado da liberdade de rotação dos "elos" da cadeia entre si e dos movimentos de “agitação térmica desordenada” (movimento Browniano) que os afectam de forma permanente; uma cadeia pode ter diferentes “conformações" que sucedem de uma forma aleatória; o estado enrolado de uma corrente só pode ser descrito de uma forma estatística. Para limitar o deslizamento entre as cadeias do polímero líquido, uma leve reticulação cria "nós de ancoragem" conferindo uma estrutura tridimensional. Os "segmentos da cadeia" entre dois nós se encontram "dobrados". Se uma força de tracção é exercida sobre a estrutura, os seguimento se estendem e a distância entre os dois nós cresce consideravelmente ; o material é bastante "deformável". • Natural (NR): extraído de plantas tropicais, possui excelente elasticidade, flexibilidade e baixa resistência química. Envelhece devido ao ataque pelo ozônio, exposição ao sol ou em presença de oxigênio. Limites de temperatura: -50ºC a 90ºC. • Sintética (SBR): mais comum dos elastômeros, melhor resistência à temperatura, limites 50ºC a 120ºC. Recomendado para trabalho em água, os ácidos fracos e álcalis. • Nitrilica (NBR): conhecida como Buna-N, possui boa resistência a óleos, gasolina, solventes e hidrocarbonetos. Limites de temperatura: -50ºC a 120ºC; • Cloroprene (CR): conhecida por Neoprene, possui excelente resistência aos óleos, gasolina, ozônio, luz solar e envelhecimento, e baixa permeabilidade aos gases. Limites de temperatura: -50ºC a 120ºC. • Fluorelastômero (Vitom): excelente resistência aos ácidos fortes, óleos, gasolina, solventes clorados e hidrocarbonetos. Limites de temperatura: -40ºC a 230ºC. • Poliisopreno ou borracha de isopreno: semelhante à natural mas mais pura. Aplicações: pneus, câmaras-de-ar, vedações, mangueiras de borracha.
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UFCD: Materiais ferrosos, não ferros e não metálicos.
Conclusão Actualmente, as principais marcas competem para oferecer ao consumidor a união de materiais que se revela mais eficaz na conquista do objectivo desejado. Nascem então diferentes estruturas de acordo com a marca e modelos em questão. Os processos, mecanismos e tratamentos que são necessários para se obter um tipo de material, com o custo e recursos que isso implica, também são um factor importante. Se é vantajoso em relação ao tipo de comportamento que vai desempenhar, comparado com outros materiais destinados para a mesma função. Na componente automóvel os fabricantes recorrem a materiais como aços mais leves para reduzir a sua massa e de grande rigidez que confere alta resistência à tracção. São aços com elevado conteúdo de Magnésio e Boro. Estampados a frio e submetidos posteriormente a um tratamento térmico no qual se aplica um revestimento de Alumínio e Silício para aumentar a sua resistência à corrosão. Desta forma consegue-se um elemento estrutural leve, com rigidez. Fibras e sintéticos têm vindo a substituir os metais mais pesados, nomeadamente na carroçaria. Com custos mais reduzidos, fáceis de trabalhar, reduzem o peso na poupança de consumo e menos perigosos em caso de colisões rodoviárias, amortecendo no impacto. Tem-se vindo a aperfeiçoar e a desenvolver componentes com custos mais reduzidos, mais leves e menos corrosivos, sem comprometer a resistência e deformação. Não existe um material perfeito mas mais adequado para as diferentes situações e partes do veículo.
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