Tecnologia Mecânica - Aula 06 - Não metais: cerâmicos

A cerâmica é a arte ou a técnica de produção de artefatos e objetos tendo a argila como matéria prima. 

Propriedades e aplicações dos materiais não metálicos cerâmicos.

FERRAMENTAS DE CORTE - Estas ferramentas de corte recebem um revestimento com um composto sólido inorgânico de materiais não metálicos, podendo ser óxidos, nitretos e carbetos, e uma variedade de materiais minerais argilosos, cimento e vidro, que conferem as propriedades isolantes à passagem de eletricidade e calor, resistência a altas temperaturas e a ambientes agressivos, permitindo alto grau de dureza.

O material não metálico cerâmico do revestimento age como um isolante térmico. Podemos fazer uma comparação com uma caneca de porcelana, pois ao colocar um líquido quente na caneca com revestimento de porcelana, o calor não esquenta as paredes de fora. Isso ocorre porque a porcelana age como isolante térmico, mantendo o calor no interior dela.

Dessa forma, os materiais não metálicos cerâmicos, por serem materiais diversificados, têm aplicação em quase todos os setores, como o industrial, aeroespacial, naval e doméstico.

Elas são utilizadas para revestimento de superfícies, eixos, discos, pisos e até facas utilizadas para cortes comuns.  Esses materiais também são usados como refratários em fornos e revestimos de turbinas a gás, motores a jato e até reatores nucleares.

Percebeu como os materiais cerâmicos podem ser utilizados em diversos setores da indústria? Esses materiais apresentam propriedades específicas. 

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS - Os materiais cerâmicos apresentam algumas propriedades específicas, que são: as propriedades térmicas, mecânicas e elétricas. Veja a seguir as características de cada uma delas: 

Além disso, as cerâmicas ainda podem ser utilizadas na fabricação de lentes, vidros para janelas, implantes dentários e tubos de ensaios por apresentar variados graus de transparência. O seu grau de luminescência favorece a fabricação de lâmpadas e monitores, cabos e fibras óticas, que também são fabricados em cerâmicas devido à propriedade de reflexão.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 31/01/2020

Tecnologia Mecânica - Aula 05 - Não metais: compósitos

Os compósitos são materiais constituídos por uma mistura de outros materiais na busca das melhores qualidades de cada um, qualidades essas que não podem ser encontradas nos materiais ferrosos, cerâmicos ou poliméricos. Os compósitos podem ser constituídos de duas ou mais fases, que são chamadas de matriz e o reforço.

A matriz confere a estrutura para o compósito, como um polímero. O reforço adicionará as propriedades químicas e físicas desejadas, que pode ser uma fibra de vidro, de carbono ou materiais de origem mineral.

COMPÓSITO REFORÇADO COM PARTÍCULAS - São elementos particulados que podem variar de tamanho e influenciar as propriedades do produto final. Essa variação reduz a deformação plástica, conferindo maiores resistências às solicitações mecânicas no compósito final. Os elastômeros são um bom exemplo: a borracha nos pneus dos carros é combinada com pequenas partículas esféricas de carbono, fios de aço ou náilon, que concedem ao material matriz maior resistência à ruptura e à abrasão.

COMPÓSITOS ESTRUTURAIS - São compósitos que aliam o baixo peso com a resistência mecânica. Como exemplo, temos as placas de compósitos de fibras contínuas com matriz termorrígidas (matriz que suporta calor), que atribui resistência e redução de peso ao objeto. Por isso, essas placas são bastante usadas em aeronaves.

COMPÓSITO REFORÇADO COM FIBRAS - As fibras são elementos finos, alongados ou picados que, quando combinados com outros materiais, fornecem resistência à tração. Esta resistência depende do alinhamento e comprimento das fibras adicionadas. Neste grupo de compósitos, temos:

•  Resinas reforçadas com fibra de vidro, utilizadas para fabricação e revestimento de recipientes;
• Os plásticos com fibra de carbono, usados na fabricação de películas, para-choques, luvas de segurança;
• As resinas com fibras de algodão, como o material Celeron.

O compósito Celeron pode ser encontrado nas formas de barras ou chapas. Ele apresenta uma estrutura totalmente homogênea, obtido a partir da resina fenol, reforçada com fibras de algodão, laminada a alta pressão e temperatura. Caracteriza-se por apresentar uma superfície com baixa rugosidade e resistência aos diversos tipos de ambientes, baixa condutividade e fator de fricção.

Por possuir grande resistência ao impacto e desgaste, este compósito é muito utilizado nas aplicações mecânicas em peças que exigem:

• Precisão na usinagem;
• Menor contração;
• Melhor acabamento em peças de dimensões menores.

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Tecnologia Mecânica - Aula 04 - Não metais: polímeros e naturais

Os polímeros estão em toda parte, eles podem ser divididos relacionando seu comportamento mecânico em plásticos ou elastoméricos. Portanto, os polímeros em temperatura ambiente podem ser: 

• Flexíveis: podem ser deformados sem se romper, como as borrachas, embalagens plásticas ou luvas;
• Rígidos: apresentam uma resistência mecânica a deformação, como as garrafas PET, tubos PVC ou náilon. 

Os plásticos são materiais artificiais de origem orgânica sintética. Quando aquecidos, podem ser facilmente moldados, tornando-se sólidos em temperatura ambiente.

Os plásticos são classificados como termoplásticos e termofixos.

Além do tipo termoplástico, os plásticos também podem ser termofixos. 

• TERMOFIXOS - São plásticos que, ao passarem pelo processo de fabricação e ao adquirirem forma,   tornam-se rígidos e estáveis. Após esse processo, a deformação é irreversível. Quando os polímeros plásticos são moldados com cadeias e direção orientadas, são fornecidos para a indústria em forma de fios finos. Eles recebem a denominação de fibras e são destinados para fabricação de materiais como mantas industriais, cordas, fibras óticas e outros.
• ELASTÔMEROS - Os elastômeros são conhecidos como borrachas e muito utilizados na indústria mecânica. Em temperatura ambiente, podem sofrer deformações, como estiramento, de pelo menos duas vezes o seu comprimento. Alguns exemplos são os látex extraídos das árvores seringueiras ou as borrachas sintéticas produzidas em laboratórios.

Esses polímeros dão origem a diversos materiais com características aplicadas nas indústrias. 

Para facilitar a categorização, a Sociedade Americana de Indústria de Plásticos divide os plásticos em sete tipos:

• PET (tereftalato de polietileno) - Trata-se de um dos tipos de plástico mais reciclados pela indústria e mais utilizados pelos consumidores. Exemplos: garrafas de refrigerantes, garrafas de água e potes de manteiga de plástico.
• PEAD (polietileno de alta densidade) - Também se destaca por ser reciclado com muita frequência. Exemplos: caixas de leite de plástico, garrafas de suco, frascos de shampoo e recipientes de detergente.
• PVC (Policloreto de Vinila) - Este plástico é reciclável, mas é menos aceito nos centros de reciclagem. Exemplo: pacotes de alimentos de cor clara e objetos para aplicações de sinalização e construção, como cones de trânsito.
• PEBD (Polietileno de baixa densidade) - Este tipo de plástico também é reciclável e costuma ser encontrado em sacos de pão e de alimentos congelados.
• PP (Polipropileno) - Frequentemente utilizado nas indústrias automobilísticas e na construção civil, é reciclável e inclui algumas carcaças de baterias automotivas, funis e canudos de plástico.
• PS (poliestireno) - Incomum para reciclagem, pode ser encontrado em espumas para embalagem, talheres de plástico, embalagens de proteção para produtos eletrônicos e brinquedos.
• Outros plásticos - Não podem ser reciclados porque geralmente são feitos a partir de uma combinação dos seis tipos de plástico citados anteriormente. Exemplo: garrafas de água reutilizáveis de 3 a 5 litros.

Estes são exemplos de polímeros produzidos pelo homem com base nas resinas ou polímeros naturais modificados. Podemos perceber, então, que existem polímeros naturais. 

Polímeros naturais são encontrados na natureza sem a intervenção do homem e faz parte da nossa vida, como: madeiras, celulose, ceras, borrachas originadas das árvores, proteínas, pele, chifre, seda e muitos outros.

As madeiras originadas das árvores são polímeros naturais, muito aplicadas nos segmentos industriais e domésticos. A madeira possui composição química de aproximadamente 50% de Carbono, 44% de Oxigênio, 6% de Hidrogênio, 1% de Nitrogênio e 1% de matéria mineral. Basicamente celulose e lignina (cadeias de Oxigênio e Hidrogênio). Estas são as características físicas da madeira:

• A umidade constituída pela água contida nas células;
• O peso específico que depende da espécie da madeira;
• A retratilidade que corresponde ao grau de contrações lineares e de volumes.

A madeira, portanto, é utilizada de forma universal em várias aplicações, seja na construção civil, na carpintaria, marcenaria, indústria mecânica, indústria de transportes, de veículos ou simplesmente para acabamento em geral.

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EX 01 - Uso de metais não ferrosos

A técnica em mecânica precisa fabricar uma bucha espaçadora para reduzir o atrito entre o eixo central e o eixo fixador das pás de uma máquina misturadora de grãos de café. Qual material ela deverá utilizar para a fabricação da bucha espaçadora?

O Bronze  é um metal não ferroso obtido a partir de ligas de Cobre, Zinco e Estanho. É muito utilizado em forma de buchas  acopladas a elementos rotativos de máquinas industriais e conjuntos mecânicos em função de suas propriedades de lubricidade.

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Tecnologia Mecânica - Aula 03 - Metais não ferrosos

No sistema de combate a incêndio, no sistema de irrigação do jardim, assim como nas cozinhas das residências e empresas, as torneiras e conexões podem ser fabricadas em ligas de latão e ficam em contato direto com a água ou expostas ao ambiente. Esses produtos e acessórios são exemplos de metais não ferrosos.

Os metais não ferrosos são todos os metais que não contêm o elemento ferro na sua composição ou apresentam em pequena quantidade.

Os metais não ferrosos são obtidos a partir dos processos de separação por métodos metalúrgicos de uma variedade de matérias-primas. Quando primárias, as rochas extraídas das jazidas minerais são moídas, britadas, peneiradas e refinadas para obtenção do elemento desejado. As matérias-primas são enviadas para as metalúrgicas para serem submetidas aos processos de forno e outros beneficiamentos.

As matérias-primas secundárias são resultantes do tratamento de sucatas de outros metais para retirada dos resíduos dos metais não ferrosos ou que foram utilizados como recobrimentos superficiais.

Você viu como os metais não ferrosos são úteis para a construção de vários objetos utilizados no nosso cotidiano, veja agora os principais metais não ferrosos e sua aplicabilidade.
 Os metais não ferrosos e suas ligas apresentam uma variedade de propriedades mecânicas, que possibilitam a sua utilização na fabricação de peças e acessórios para a indústria metalmecânica, segmentos elétricos, domésticos e até na área esportiva. Observe algumas dessas propriedades na figura 02.

Agora você irá reconhecer as características básicas, propriedades e aplicações dos metais não ferrosos utilizados na indústria.

As ligas metálicas não ferrosas que são aquelas que não possuem o elemento químico ferro em sua composição, ou apresentam, porém em pequena quantidade. O bronze por exemplo, é um exemplo deste tipo de liga, pois é obtido a partir da mistura de Cobre (Cu) e Estanho (Sn). Outro exemplo é o latão que é obtido da junção do Cobre com o Zinco (Zn) e é utilizado desde a pré-história.

Este tipo de liga é caracterizado por uma baixa densidade, e alta condutividade térmica e elétrica além de uma maior resistência à corrosão do que as ligas metálicas ferrosas. As ligas mais utilizadas na indústria são as que possuem Alumínio em sua composição.

Os metais não ferrosos, como o Titânio e as ligas de alumínio-titânio-estanho, são utilizados na composição de implantes ortopédicos e até em elementos de turbinas de aviões e foguetes. 

Veja abaixo as principais ligas e suas aplicações: 

• Liga de bronze: é uma liga forte, resistente à corrosão e de fácil fundição. Muito utilizada por escultores. Além disso, é utilizada em instrumentos musicais devido a sua capacidade de geração de ondas específicas. 
• Liga de latão: existem no mínimo 10 tipos de ligas de latão que diferem devido a porcentagem dos metais que a compõe e suas aplicações compreendem diversos segmentos como por exemplo a fabricação de armas, cartuchos, radiadores, parafusos, moedas, entre outros. 
• Liga de alumínio: é muito utilizada na construção civil e na arquitetura, em embalagens, em utensílios de cozinha, em condutores elétricos, dentre outras diversas aplicações.

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Tecnologia Mecânica - Aula 02 - Aços e suas ligas

Agora, vamos conhecer mais detalhes sobre os principais metais ferrosos utilizados na indústria metalmecânica: o aço e suas ligas e o ferro fundido.

Aço - O aço é uma liga de ferro que possui percentual inferior a 2% de carbono e impurezas normais dos seguintes elementos: Fósforo (P) e Enxofre (S), Manganês (Mn) e Silício (Si). Também possui percentuais controlados dos elementos: Cromo (Cr), Níquel (Ni), Molibdênio (Mo), Vanádio (V), dentre outros.

Classificação do aço - A Society of Automotive Engineers (SAE), em português, Sociedade dos Engenheiros Automotivos e a American Iron and Steel Institute (AISI), em português, Instituto Americano em Ferro e Aço, classificam os aços conforme a tabela seguinte:

Para entender melhor, é preciso compreender que o aço-carbono e aços de baixa liga têm a sua classificação composta por 4 dígitos, conforme podemos ver no exemplo seguinte:

Os teores dos elementos Fósforo (P), Enxofre (S), Manganês (Mn) e Silício (Si) não precisam ser representados na classificação.

Observe, a seguir, que por meio da adição de elementos específicos em diferentes porcentagens em aços ferramenta, consegue-se obter características especiais. O carbono, por exemplo, aumenta a dureza do aço ferramenta, melhorando a resistência ao corte e ao desgaste. Outros elementos são adicionados para aumentar a tenacidade ou resistência mecânica.

Considerada a composição química dos aços como base de classificação, poderiam ser considerados os seguintes subgrupos:

• aços-carbono - aqueles que estão presentes o carbono e os elementos residuais, manganês, silício, fósforo, enxofre e outros, nos teores considerados normais;
• aços-liga de baixo teor em liga - aqueles em que os elementos residuais estão presentes acima dos teores normais, ou onde ocorre a presença de novos elementos de liga, cujo teor total não ultrapassa um valor determinado (normalmente até 5,0%). Nestes aços, a quantidade total de elementos de liga não é suficiente para alterar profundamente as estruturas dos aços resultantes, assim como a natureza dos tratamentos térmicos a que devam ser submetidos;
• aços-liga de alto teor em liga - aqueles em que o teor total dos elementos de liga é, no mínimo, de 10 a 12%. Nessas condições, não só as estruturas dos aços correspondentes podem ser profundamente alteradas, como igualmente os tratamentos térmicos comerciais sofrem modificações, exigindo ainda técnica e cuidados especiais e, freqüentemente, operações múltiplas;
• aços-liga, de médio teor em liga, que poderiam ser consideradas como constituindo um grupo intermediário entre os dois anteriores.

Ferro Fundido - O ferro fundido (Fofo) é uma liga ferro-carbono com percentual de carbono que varia de 2,1% até 4%.

O ferro fundido, por conter maior percentual de carbono, apresenta grande resistência à tensão de compressão e baixa resistência à tensão de tração. Por isso, é bastante utilizado para fabricação de blocos de motores automotivos, cabeçotes de cilindro, volantes, pistões, tambores de freio e caixas de transmissão de tratores.

Classificação do ferro fundido - Os ferros fundidos são classificados em alguns tipos, conforme a sua composição química e o processo pelo qual passam. Basicamente, são eles:

O minério de ferro é a matéria-prima básica para a produção do aço. O Brasil possui enormes reservas desse minério com alto teor de ferro, e já ocupou a oitava posição entre os produtores mundiais de aço em lingotes, com produção aproximadamente de 18,4 milhões de toneladas.

Os metais ferrosos, por possuírem maior percentual do elemento ferro na sua composição. Combinado com o carbono e outros elementos, apresentam características e propriedades desejadas nas diversas aplicações, o que permite serem conformados, cortados, curvados, dobrados, forjados, soldados, laminados ou estirados.

Encontramos na indústria os materiais ferrosos em forma de: aço carbono, aços ligas, aços estruturais, aços rápidos, aços resistentes e aços especiais.
Os materiais ferrosos são encontrados no mercado em forma de barras, chapas, tubos, fios, produtos acabados, etc., e essas formas comerciais seguem uma padronização que facilita a sua utilização pelos setores industriais. 

No vídeo a seguir, vamos entender um pouco sobre as características e propriedades dos materiais ferrosos.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 31/01/2020

Tecnologia Mecânica - Aula 01 - Processo de obtenção de Metais Ferrosos

Ferro é um elemento químico metálico, sólido e maleável, que compõe grande parte das ligas metálicas que conhecemos, pois possui propriedades mecânicas e químicas e tem um custo baixo de fabricação. Ele normalmente é encontrado na natureza, em dois principais minérios: a hematita e a magnetita. 

Ferro - O ferro é um dos metais mais importante encontrado na natureza, que combinado com outros elementos, dá origem a diversos materiais. Mas, antes de ampliarmos os conhecimentos sobre o ferro, vamos primeiro analisar o que é o metal e suas características.

Os metais originam-se de substâncias minerais encontradas em grandes quantidades na natureza, geralmente sob a forma de minério, que após passar por diversos processos, obtém-se o metal. O brilho costuma ser uma de suas características, também são bons condutores de eletricidade e calor.

São classificados em grupos e dentre eles estão os metais ferrosos, que é o foco da nossa aula de estudo. 

Metais Ferrosos - Os metais ferrosos são ligas cujo principal elemento é o ferro. Estas ligas apresentam resistência mecânica e podem ser encontradas com frequência no nosso dia a dia.

As propriedades químicas e físicas do ferro dependem principalmente da quantidade de carbono e dos demais elementos que compõem a sua estrutura molecular.

Uma propriedade de destaque nos materiais que contêm o elemento ferro é o ferromagnetismo, que dá a esses materiais a capacidade de magnetismo, ou seja, reagem ao campo magnético. Isso quer dizer que se aproximarmos um ímã de uma peça em metal ferroso, ela vai ser atraída pelo ímã.

Ímã ou magneto é um objeto que produz um campo magnético ao seu redor, possuindo dois polos, um de atração e outro de repulsão, que podem atrair ou repelir outros materiais ferromagnéticos.

Bom! Agora que sabemos por que os metais ferrosos possuem esta denominação, vamos compreender como se dá o processo de obtenção do metal ferro.

O ferro é obtido no processo de redução do minério de ferro, por meio de temperatura em alto forno, o que pode ser entendido como um processo siderúrgico que transforma a rocha em material metálico.

Os altos-fornos exigem muitas instalações auxiliares para apoiar suas operações. No entanto, em termos mais simples, o forno em si é um revestimento de aço enorme quase de forma cilíndrica e revestido com tijolo resistente ao calor.

Uma vez iniciado, ou “soprado em “ a fornalha opera continuamente até que o revestimento refratário precisa de renovação, ou até que a demanda de ferro diminui para o ponto em que o forno é fechado. A duração das operações do forno de início ao fim é referida como uma “campanha” e pode durar vários anos.

O minério de ferro e outros materiais que contêm ferro, coque e pedra calcária são carregados para dentro do forno a partir do topo e trabalhar seu caminho para baixo, cada vez mais quente à medida que afundam no corpo do forno, que é chamado a pilha.

No processo de redução no alto forno, o minério de ferro é colocado com outros materiais, como o carvão coque e o calcário. 

FERRO-GUSA - O ferro-gusa é o produto resultante da fusão da carga.

LINGOTES - As ligas obtidas nas aciarias dão origem aos lingotes.

No vídeo a seguir aprenda sobre a sua influência na sociedade.

Na próxima aula, vamos conhecer mais detalhes sobre os principais metais ferrosos utilizados na indústria metalmecânica: o aço e suas ligas e o ferro fundido.

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