Prática de Manutenção 1, Notas de estudo de Mecatrônica

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Tecnologia e Prática de Manutenção I

Federação das Indústrias do Estado de Pernambuco Presidente Jorge Wicks Côrte Real

Departamento Regional do SENAI de Pernambuco Diretor Regional Antônio Carlos Maranhão de Aguiar

Diretor Técnico Uaci Edvaldo Matias

Diretor Administrativo e Financeiro Heinz Dieter Loges

Ficha Catalográfica

621.01 SENAI.DR.PE. Tecnologia e Prática de Manutenção I. S474t Recife, SENAI.PE/DITEC/DET, 2004.

1. MECÂNICA
2. ENGENHARIA MECÂNICA I. Título

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SENAI – Departamento Regional de Pernambuco Rua Frei Cassimiro, 88 – Santo Amaro 50100-260 - Recife – PE Tel.: (81) 3416- Fax: (81) 3222-

MATERIAIS FERROSOS

Metais ferrosos são materiais metálicos que contêm ferro. Eles são : o aço e o ferro fundido.

AÇO

O aço é uma liga metálica de natureza complexa, formada basicamente de ferro e carbono, embora outros elementos secundários apareçam em sua composição.

Na verdade, é o teor de carbono que determina se a liga metálica é um aço, ou não. Dessa forma, os aços comerciais costumam apresentar u teor máximo de 2% de carbono.

Há dois tipos de aço: o fundido e o especial

™ Aço Fundido:

Aço fundido é aquele que é vazado em moldes de areia ou de metal onde, após resfriamento, solidifica-se e adquir a forma exata da cavidade do molde.

Deste modo, a peça já apresenta uma forma praticamente definitiva, sem necessidade de qualquer transformação mecânica posterior.

As peças de aço produzidas por fundição apresentam grande variedade de formas e dimensões, razoáveis níveis de resistência e tenacidade a um custi relativamente baixo. Além disso, possuem boa usinabilidade e soldabilidade.

Por outro lado, admite-se, geralmente, que o aço fundido é de qualidade inferior ao aço trabalhado, no que se refere às propriedades mecânicas do material.

Além disso, como as peças dundidas frequentemente apresentam alguns defeitos superficiais ou internos, típicos desse processo de gfabricação, elas devam apresentar certos requisitos como:

• homogeneidade;
• granulação fina;
• completa ausência de tensões internas.

A homogeneidade é consequida mediante projeto adequado da peça e do molde, com localização correta dos canais e desoxidação apropriada do aço durante a fusão.

A granulação fina e a ausência de tensões internas são obtidas através do tratamento térmico.

O tratamento térmico adequado possibilita normalizar a textura grosseira do aço fundido e eliminar as tensões internas surgidas durante a solidificação do metal no interior e distorções das peças quando em serviço.

Classificação do aço para fundição e suas aplicações

Os aços para fundição são classificados de acordo com o teor de carbono existente em sua composição.

Assim, existem basicamente cinco tipos de aço fundido comercial:

• aços de baixo teor de carbono (inferior a 0,20%)
• aços de médio teor de carbono (entre 0,20% e 0,50%)
• aços de alto teor de carbono (acima de 0,50%)
• aços-liga de baixo teor de liga (teor total de liga inferior a 8%)
• aços-liga de alto teor em liga (teor total de liga superior a 8%)

Os aços de baixo teor de carbono são utilizados na fabricação de:

• Equipamentos elétricos;
• Caixas para recozimento;
• Engrenagens.

Principais elementos de liga e as propriedades que conferem ao aço especial

• Níquel (Ni)

O níquel foi u dos primeiros metais utilizados com êxito para melhorar as propriedades do aço. Sua adição confere à liga as seguintes qualidades:

• aumento de resistência e tecacidade;
• elevação do limite de elasticidade;
• boa ductilidade;
• resistência a corrosão;
• temperabilidade
• Cromo (Cr)

O cromo confere ao aço:

• alta resistência;
• dureza;
• elevado limite de elasticidade;
• boa capacidade de corte.
• Manganês (Mn)

Quando adicionado em quantidades convenientes, o manganês aumenta a resistência do aço ao desgaste e aos choques, sem prejudicar sua ductilidade.

• Tungstênio (W)

O tungstênio em geral é adcionado aos aços juntamente com outros elementos. Sua adição confere aos aços as seguintes qualidades:

• aumento de resistência ao calor;
• aumento da dureza;
• aumento da resistência à ruptura;
• capacidade de corte.

• Molibdênio (Mo)

O molibdênio tem sobre os aços uma ação semelhante à do tungstênio. Confere às ligas grande resistência, principalmente a esforços repetitivos.

• Vanádio (Va)

A adição do vanádio confere:

• melhor resistência à tração sem prejudicar a ductilidade;
• resistência à fadiga;
• temperabilidade;
• capacidade de corte.
• Silício (Si)

O silício aumenta a temperabilidade e a resistência dos aços. Além disso, tem o efeito de isolar ou suprimir o magnetismo.

• Cobalto (Co)

Em associação com o tungstênio, o cobalto aumenta a resistência dos aços ao calor. Além disso, influi favoravelmente nas propriedades magnéticas dos aços.

• Alumínio (Al)

O alumínio tem efeito semelhante ao do silício. Devido à sua grande afinidade com o oxigênio, é considerado um importante elemento na desoxidação do aço durante o processo de fabricação.

Nos aços que são submetidos à nitretação, a adição do alumínio facilita a penetração do nitrogênio.

indústria química e alimentar, hélices para navios, caçambas para turbinas, porcas, parafusos e tubulações sujeitas a meios corrosivos.

• Açop-prata

O aço-prata é um aço de aparência brilhante, com alto teor de carbono e presença de manganês e cromo como elementos de liga.

O aço-prata possui grande dureza superficial adquirida através de tratamento térmico. É empregado na produção de limas, serras, martelos, machados e ferramentas para trabalhar a madeira.

Soldabilidade dos aços

Tipos de aço

Composição Soldabilidade geral

Preaquecimento Recozimento para alívio de tensões

I

Aço-carbono, com C abaixo de 0,30%

Aço-liga de baixo teor em liga e C abaixo de 0,15%

Prontamente soldável

idem

Desnecessário

idem

Desnecessário

idem

II

Aço-carbono, com C entre 0,35% e 0,50%

Aço-liga de baixo teor em liga e C entre 0,15% e 0,30%

Soldável com precauções

idem

Preferível

idem

Preferível

idem

III

Aço-carbono com C acima de 0,50%

Aço-liga, com teor em liga acima de 3% e C acima de 0,30%

Difícil de soldar

idem

Necessário

idem

Necessário

idem

FERRO FUNDIDO

O ferro fundido, de fundamental importância para a indústria mecânica, é uma liga formada basicamente de ferro, carbono e silício (Fe, C, Si).

Mediante a introdução de outros elementos de liga (como o cromo, o níquel e o vanádio) e a a plicação de um tratamento térmico adequado, o ferro fundido substitui o aço em muitas aplicações industriais. Por isso, é sempre necessário determinar a composição da fundição que melhor atenda às necessidades de cada aplicação.

Tipos de ferro fundido

Dentro da denominaão geral de ferro fundido podem ser distinguidos os seguintes tipos de liga:

• ferro fundido cinzento;
• ferro fundido nodular;
• ferro fundido branco;
• ferro fundido maleável.
• Ferro fundido cinzento

O ferro fundido cinzento apresenta elevadas porcentagens de carbono (de 3,5% a 5%) e de silício (2,5%). Uma parte do carbono apresenta-se em estado livre sob a forma de grafita, conferindo ao material sua coloração cinzenta.

As peças fabricadas com ferro fundido cinzento apresentam as seguintes características:

• excelente usinabilidade, isto é, capacidade de serem trabalhadas por aplainamento, torneamento, furação, rosqueamento;
• grande resistência à compressão, ao desgaste, à corrosão e às vibrações;
• pequena resistência à tração.

• rodas dentadas;
• engates;
• sapatas;
• tambores de freios.
• Ferro fundido branco

O ferro fundido branco também é constituído por ua liga de ferro, carbono e silício (Fe – C – Si). Nela, o carbono apresenta-se combinado sob a forma de carboneto de ferro (Fe 3 C). isso acontece porque o teor de silício, que favorece a decomposição do carboneto de ferro, é muito menor no ferro fundido branco do que no cinzento ou no nodular.

Além da composição química adequada, a velocidade de resfriamento também determina a obtenção do ferro fundido branco. O sistema usado chama-se conquilhamento, através do qual o metal líquido é derramado em moldes matálicos e sofre um resfriamento muito rápido.

Elevada dureza e resistência ao desgaste são as propriedades fundamentias desse material. Como consequência, ele apresenta um alto nível de fragilidade além de ser de difícil usinagem.

Por causa dessas propriedades, é utilizado na fabricação de peças com elevado índice de resistência ao desgaste, tais como:

• revestimentos de moinhos;
• bolas para moinhos de bolas;
• rodas de ferro para vagões;
• cilindros para laminação de borracha, vidro, plástico, metal;
• peças para britadeiras;
• matrizes.

• Ferro fundido maleável

O ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco submetido a um tratamento térmico especial. Através desse tratamento, chamado maleabilização, a liga adquire ductilidade e torna-se mais tenaz.

A maleabilização consiste em promover um aquecimento prolongado do ferro fundido branco sob condições controladas. Com o aquecimento, o carbono combinado com a grafita sofre transformações, conferindo ao material as seguintes propriedades:

• resistência à tração, à fadiga, ao desgaste e à corrosão;
• dureza;
• boa usinabilidade.

Por causa dessas características, o ferro fundido maleável é usado nas seguintes aplicações industriais:

• conexões para tubulações hidráulicas e linhas de transmissão elétrica;
• correntes;
• suportes para molas;
• caixas de direção, engrenagem e diferencial;
• cubos de rodas;
• sapatas de freios;
• pedais de embreagem e freio;
• bielas.

Principais elementos de liga e seus efeitos

Elementos de liga são elementos que, adicionados às ligas de aço ou ferro, têm a capacidade de melhorar suas propriedades. Níquel, cromo, alumínio, cobre são exemplos desse tipo de elemento.

Nos ferros fundidos, os elementos de liga têm dois efeitos:

• funcionam como elementos grafitizantes (silício, alumínio, níquel, cobre e titânio);
• retardam a formação da grafita (manganês, cromo, molibdênio e vanádio).

• Vanádio

O vanádio, como estabilizador do carboneto, aumenta a profundidade de coquilhamento. Em peças de pequena espessura, esse efeito pode ser contrabalançado através da adição de níquel ou cobre ou pelo aumento dos teores de carbono ou de silício.

Em teores entre 0,10 e 0,50%, o vanádio também refina a estrutura das peças coquilhadas.

Em teores entre 0,5 e 0,1%, aumenta a resistência à tração das peças produzidas com ferro fundido cinzento.

• Boro

O boro é utilizado de modo limitado na produção de ligas de ferro fundido branco. Com adições em torno de 0,5%, ele aumenta a dureza e refina a estrutura da peça coquilhada.

METAIS NÃO-FERROSOS

Metais não-ferrosos são materiais metálicos que não contêm ferro. Dentre esses materiais podemos citar: o cobre, o alumínio, o chumbo, o zinco, o estanho, o magn´sio e o antimônio.

• Cobre

O cobre é um metal marrom-avermelhado que apresenta as seguintes propriedades:

• ótimo condutor de calor e eletricidade;
• boa resistência mecânica;
• boa usinabilidade;
• boa ductilidade;
• boa resistência à corrosão, embora seja atacado por todos os tipos de ácidos.

Devido a essas propriedades, o cobre é empregado:

• na indústria elétrica, na fabricação de cabos elétricos, motores geradores, transformadores, contatos, etc.;
• na indústria química, nas caldeiras, destiladores, tubulações de vapor, ar, água fria ou quente e óleo;
• na indústria de alimentos, nos tanques e recipientes para processamento de alimentos;
• na indústria mecânica, na forma de peças para permutadores de calor, radiadores de automóveis, arruelas, rebites e outros componentes na forma de tiras e fios.

Ligas de cobre

Existem dosi tipos de ligas de cobre:

• as de baixo teor de liga;
• as de alto teor de liga.

As ligas de cobre de baixo teor de liga apresentam baixíssimas quantidades de outros elementos (teores entre 0,02%, como na liga cobre-prata tenaz, até um máximo de 1,2%, como na liga de cobre-chumbo). Esses elementos são acrescentados para melhorar as propriedades mecânicas do cobre, dependendo do tipo de aplocação que lhe será dada.

Por exemplo, numa liga cobre-chumbo, a adição do segundo elemento melhora a usinabilidade do cobre. Essa liga é empregada na fabricação de componentes (como conectores, prafusos, etc) dos quais se exige, além da alta condutibilidade elétrica, um grau elevado de usinabilidade.

Dentre as ligas de cobre de alto teor de liga, as mais importantes são:

• latão
• bronze
• cobre-alumínio
• cobre-níquel
• alpaca
• cobre-berílio
• cobre-seilício

Bronze

O bronze é uma liga de cobre-estanho na qual o segundo elemento aparece em teores que variam de 1,0 a 11,0%.

À medida que o teor de estanho aumenta, aumentam também a dureza e as propriedades relacionadas com a resistência mecânica, sem diminuição da ductilidade.

O bronze pode ser trablahado a frio e possui elevada resistência à corrosão.

Dependendo dos teores de estanho presentes no bronze, esse poderá ser usado na fabricação de componentes de aparelhos de telecomunicação, tubos flexíveis, varetas e elétrodos de soldagem, tubos para águas ácidas, parafusos, rebites, porcas, discos antifricção, molas para serviços pesados, etc.

Quando as acrescentam à liga cobbre-estanho outros elementos como o fósforo, o zinco, o chumbo ou níquel , obtém-se o bronze para fundição, o qual poderá ser utilizado na fabricação de engrenagens, parafusos, válvulas, flanges, bombas de óleo, buchas, mancais.

• Alumínio

O alumínio é um metal não-ferroso branco acinzentado que apresenta as seguintes propriedades:

• boa condutibilidade térmica;
• baixo peso específico;
• boa resistência à corrosão;
• alta ductilidade e portanto, facilidade em ser eliminado, forjado e trefilado;
• ausência de magnetismo.

Por causa dessas propriedades e das grandes jazidas mundiais do seu minério principal (bauixita), o alumínio está se tornando o metal mais importnate para a indústria ferroviária, naval, aeronáutica, mecânica, química e elétrica.

Ligas de alumínio

O alumínio puro é extremamente maleáel, o que limita suas aplicações. Por causa disso, foram desenvolvidas ligas que melhoram a resistência mecânica do alumínio, ampliando consideravelmente suas possibilidades de aplicação.

A adição de pequenas quantidades de cobre, silício, manganês, magnésio ou ferro, aliada a um tratamento térmico adequado, aumenta consideravelmente a resistência da liga e mantém uma de suas principais características que é a leveza.

Duralumínio

Duralumínio é a mais importante das ligas de alumínio e contém cobre (4%), magnésio (0,5%) e manganês (0,7%). Ao ser tratado termicamente adquire um limite de resistência à tração semelhante ao do aço doce.

Esse tipo de liga é empregado principalmente na construção de peças forjadas e estampadas, barras, chapas, e rebites.

Aplicações do alumínio e suas ligas

Praticamente todos os setores da indústria beneficiam-se com o emprego do alumínio e suas ligas. Dentre essas aplicações podemos destacar: motores, hélices, tanques de combustível, tambores de freios, corpos de carburadores e compressores, vagões, cascos de barcos, antenas, chassis de aparelhos eletrônicos, componentes para eletrodomésticos, utensílios de cozinha.

• Chumbo

O chumbo, um dos primeiros metais a ser utilizado pelo homem, tem cor acinzentada e apresenta as seguintes características:

• baixa resistência mecânica;
• elevada resistência à corrosão;
• elevado peso específico.

Dependendo da utilização que lhe será dada, o chumbo poderá formar ligas:

• com o arsênio, o bismuto, o cálcio, o cobre ou o antimônio (baixo teores), utilizadas para revestimento de cabos elétricos;