• Drano Rauteon

CTM - Ligas Ferrosas

Atualizado: 24 de mai.

Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer que ele possui Ferro ou Alumínio, por exemplo. Mas isto vai muito além destes simples materiais.


Assim como plásticos e borrachas, a indústria química desenvolveu várias combinações de materiais, criando vários tipos de ligas metálicas diferentes, que se encaixam nas mais diversas aplicações.


Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los.


Outra coisa fácil de se ver na população leiga e até entre profissionais desses ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errôneos).


Nesta série de artigos, com a concatenação de informações selecionadas em vários sites, escritas por vários autores, trago a explicação resumida sobre as ligas metálicas mais comuns e exemplos de utilização na indústria química, automobilística, eletrônica e diversas outras, porém com enfoque na eletrônica e mecânica.

Os materiais ferrosos possuem este nome pois há a predominância do Ferro em sua composição.

Imagem 1 - Posição do elemento Ferro na Tabela Periódica


O Ferro é o metal mais utilizado no mundo, sendo o quarto mais abundante em massa na crosta terrestre. Um átomo de Ferro (Fe) é representado no desenho abaixo:


Assim como um Cristal Líquido Termotrópico possui fases (conhecidas como Mesofases), como por exemplo a Nemática e Esmética, uma liga baseada em Ferro também possui suas fases, sendo algumas delas:


→ Austenita: Também chamada de Ferro-Gama (y-Fe), é uma fase sólida, não magnética, constituída de Ferro na estrutura CFC (Cristalina de Face Centrada);

→ Bainita: Decomposição da Austenita em um produto de duas fases: a ferrita em forma de placas e Carbonetos em partículas;

→ Ferrita: Também chamada de Ferro-Alfa (α-Fe) na indústria e de "Ferrite" no ramo da eletrônica, é o Ferro puro com estrutura cristalina cúbica de corpo centrado. É esta estrutura cristalina que dá ao Aço e ao Ferro Fundido as suas propriedades magnéticas, sendo o exemplo clássico de um material ferromagnético;

→ Martensita: Feita a partir da Austenita, uma solução sólida de Carbono e Ferro com um formato centro-estrutural cristalino cúbico, que é formado pelo aquecimento do Ferro a uma temperatura de pelo menos 723 °C. A transformação martensítica ocorre quando a Austenita é rapidamente resfriada no processo de têmpera;

→ Cementita: Carboneto de Ferro (Fe3C) de estrutura cristalina ortorrômbica, sendo bastante dura e quebradiça;

→ Ledeburita: Mistura eutética em uma liga que contém 4,3% de Carbono. Abaixo da temperatura de austenitização é composta de Perlita e Cementita, e acima a temperatura de austenitização é formada por Austenita e Cementita.


CURIOSIDADE: O Ferro na sua fase Ferrita é amplamente utilizado na eletrônica para a confecção de núcleos de indutores, transformadores e fabricação de motores elétricos.

O Ferro pode ter suas características de resistência elétrica, coercitividade e permeabilidade magnética modificadas através de têmpera e ou com a adição de metais de transição, como por exemplo combinações de Níquel-Zinco e Manganês-Zinco, formando a classe dos "Ferrites Moles", materiais bastante utilizados na fabricação de núcleos de indutores. Para saber mais sobre o Ferrite na eletrônica, CLIQUE AQUI!

Já o Pó de Ferro pode ter suas características magnéticas manipuladas através da adição de Alumínio e Silício, como por exemplo os materiais com o nome comercial "Sendust". Há também os pós-metálicos formados por uma liga onde predomina Níquel aditivado com Ferro, podendo conter também pequenas quantidades de Cobre, Cromo e Molibdênio alterando suas características elétricas e magnéticas, como é o caso dos materiais com nome comercial "Permalloy". Para saber mais sobre o Pó de Ferro na eletrônica, CLIQUE AQUI!

O Aço-Silício é uma mistura que se assemelha ao Sendust, no entanto, o processo de fabricação de chapas, bem como a têmpera e a porcentagem de Carbono (máximo de 0,03%), Silício (entre 1% e 3,25%) e Alumínio no Ferro são diferentes. Para saber mais sobre o Aço-Elétrico na eletrônica, CLIQUE AQUI!

 

Existem centenas e centenas de tipos de ligas metálicas ferrosas, e todas elas são normatizadas nacional e internacionalmente pelos seguintes padronizadores / regulamentadores:

Tabela 1 - Ao decorrer do texto, será comum ver ligas metálicas com nomes relacionados aos da tabela acima

Aqui serão mostrados alguns dos principais tipos de ligas metálicas ferrosas utilizadas pela indústria, começando pelo...


Aço-Carbono (ou Ferro-Carbono)


Talvez o nome mais comum encontrado no mercado, este possui teor de Carbono entre 0,008 e 2,11%. Sua resistência à ruptura por tração pode variar, dependendo da qualidade, de 200 MPa a valores superiores a 1200 MPa. A resistência ao esmagamento por compressão é igual à resistência à ruptura por tração.

Além do Carbono, o Manganês, Silício e o Fósforo também regulam o nível de resistência do aço, porém são adicionados em quantidades ínfimas ao Ferro. A quantidade de Carbono define sua classificação em baixo, médio e alto. Confira:


→ Baixo Carbono (até 0,30% de Carbono): Este tipo possui baixa resistência, porém, é usinável e soldável. Possui baixa dureza e alta tenacidade e ductilidade. De forma geral, não é tratado termicamente.


→ Médio Carbono (de 0,30% a 0,60%): Possui uma maior resistência para tratamento térmico, além de dureza e menor tenacidade e ductilidade em relação ao primeiro. O médio carbono possui uma boa temperabilidade em água e é um dos tipos mais comuns de aço.


→ Alto carbono (acima de 0,60%): Este tipo é o de maior resistência ao desgaste e dureza. No entanto, com o alto teor de Carbono, possui menor ductilidade quando comparado aos demais. Geralmente, são utilizados temperados ou revenidos.


OBSERVAÇÂO: Quanto aos demais elementos, o Manganês pode estar presente numa quantidade que varia entre 0,45% e 0,90%, Fósforo numa quantidade máxima de 0,035%, Silício em no máximo 0,030%, Alumínio em no máximo 0,10% e Enxofre (0,050). Quando há uma concentração entre 1% e 1,65% de Manganês, Fósforo até na faixa de 0,10%, Silício até 0,60% e Enxofre até cerca de 0,1% (onde alguns tipos podem atingir 0,3%), entramos numa classificação de Aços-Carbono "Ressulfurados" / "Refosforados" ou "Alto-Manganês".


CURIOSIDADE: O Aço-Carbono possui menor resistência à corrosão, isto pois, quando em contato com o Oxigênio, forma uma camada porosa de óxidos de Ferro. Esta camada permite uma contínua corrosão do metal, popularmente conhecida como ferrugem. No entanto, à depender da concentração de Carbono, a resistência à oxidação se eleva.


Entre os tipos de Aço-Carbono mais comuns do mercado estão as ligas SAE-1006 até a SAE-1045 (quanto mais alta a numeração, mais Carbono no Aço). Estas ligas situam-se nas categorias Baixo e Médio Carbono.


No âmbito da elétrica e eletrônica, resistores podem ser produzidos com um filme metálico de liga Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Al, onde o Ferro tem uma concentração de Carbono bem baixa, portanto, incluindo-se na classificação dos Aços Baixo-Carbono. O nome "Ferro" na eletrônica é mais usual, pois exprime o elemento químico em si, e não os produtos gerados a partir dele, como é o caso do aço.

Para saber mais sobre estes e outros resistores, CLIQUE AQUI!


O Aço-Carbono é bastante utilizado na confecção de equipamentos para transporte de cargas, como por exemplo a quinta-roda, o acoplamento / articulação entre dois semi-reboques ou um semi-reboque e o rebocador. Veja a imagem abaixo, de uma quinta roda SAF-Holland:

Imagem 2 - Quinta-roda em Aço Fundido feita para serviços pesados e severos


Um exemplo de uso do aço médio carbono (SAE / AISI 1030 até 1060) é na confecção de peças de soquetes e coolers de PC. Veja na imagem abaixo o diagrama da base de um cooler box da Intel:

Diagrama 1 - Base de um cooler box Intel


Note a descrição "S50C", que vêm do padrão japonês JIS, e significa nada mais que SAE 1050, ou AISI 1050...

Perceba que esta peça é galvanizada a frio com Níquel, justamente para resistir por décadas sem sofrer corrosão.


CURIOSIDADE: No tópico sobre galvanização, você verá mais sobre a dupla galvanização, utilizadas em algumas peças iguais a esta do Diagrama 1.

 

Ferro Fundido


O ferro fundido apresenta teor de Carbono variando entre 2,11% e 6,67%, portanto superior ao do Aço-Carbono. Outro fator que o diferencia é a maior concentração de Silício (entre 1% e 4%). Sua resistência à tração é considerada baixa, alcançando no máximo 400 MPa, mas a resistência à compressão é boa, situando-se entre duas e quatro vezes a resistência à tração.


CURIOSIDADE: As ligas com entre 2,11% e 4,3% de Carbono são chamadas hipoeutéticas, já aquelas com Carbono acima de 4,3% são chamadas hipereutéticas. Os ferros fundidos com exatamente 4,3% de Carbono são chamados de eutéticos.


Pelo fato do Silício estar frequentemente presente em teores superiores ao do próprio Carbono, os ferros fundidos são geralmente considerados como uma liga ternária Fe-Si-C. Além do mais, possuem temperatura de fusão menor que a do Aço-Carbono (sendo este facilmente deformável por forja, laminação e extrusão), facilitando a produção de produtos a partir do processo de fabricação conhecido como "fundição".

Existem quatro tipos de Ferro Fundido:

→ Cinzento: Possui elevada fluidez (no estado líquido), o que permite produzir peças com geometria complexa. Possui boa usinabilidade, baixo atrito devido à presença da grafita (lubrificante sólido a base de Carbono), excelente amortecimento de vibrações, boa resistência à compressão, mas péssima resistência à tração, má soldabilidade e baixo custo. Este tipo de Ferro Fundido já foi muito utilizado na fabricação de blocos de motores de combustão interna.


→ Branco: Formado por uma taxa de resfriamento mais alta, é utilizado em peças em que se necessite elevada resistência à abrasão, alta dureza e baixa ductilidade, sendo muito menos comum que o tipo cinzento.

Este tipo de ferro fundido não possui grafita livre em sua microestrutura. Neste caso, o Carbono encontra-se combinado com o Ferro (em forma de cementita), resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão.

Praticamente não pode ser usinado. A peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material.


→ Nodular: O ferro fundido nodular é uma classe onde o Carbono (grafite), junto com cementita e outros permanecem livres na matriz metálica, porém em forma solida e de visualidade circular. Este formato do grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo aos materiais características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento, devido às estreitas faixas de composição químicas utilizadas para este material.


→ Maleável: O Ferro Fundido Maleável possui alta resistência mecânica, maior ductilidade e resiliência em relação ao tipo Branco, tendo também boa resistência à compressão, fluidez no estado liquido o que permite a produção de peças complexas e finas.

A obtenção é feita a partir do ferro fundido branco e um tratamento térmico chamado maleabilização, onde ele fica submetido a uma temperatura de 900° a 1000° durante 30 horas.


→ Vermicular: o Ferro Fundido vermicular, também conhecido como Compacted Graphite Iron (CGI) foi obtido por acaso durante a fabricação do Ferro Fundido nodular. Devido a erros de composição química, produziu-se uma microestrutura onde a grafita apresentava-se na forma de 'vermes', ao invés da forma esférica esperada.

As propriedades mecânicas diferenciadas do ferro fundido vermicular foram reconhecidas em 1965, quando o CGI foi patenteado. No entanto, este fato não ampliou consideravelmente sua aplicação industrial. Pesquisas e desenvolvimentos se concentraram mais em materiais como o Alumínio, cerâmicos e plásticos, enquanto o ferro fundido vermicular, com boas propriedades de resistência, não teve a mesma consideração.

Na década de 1990, foram desenvolvidos alguns processos de controle de metal líquido (Sintercast, Oxicast, Novacast) que permitiram o rompimento da principal barreira à difusão do vermicular na indústria: a falta de um processo confiável de controle aplicável a uma produção em larga escala. O primeiro bloco de motor produzido com este material surgiu em 1992.

Vencida a etapa de fabricação em escala industrial e com qualidade, o vermicular passou a receber um crescente espaço na indústria automobilística, abrindo-se as possibilidades de seu emprego em diversas peças até então fabricadas em Ferro Fundido Cinzento, tais como coletores de escapamento, cabeçotes e, principalmente, blocos de motores diesel.


Veja abaixo, fotos da estrutura de três tipos de Ferro Fundido:

Imagem 3 - Comparação de estrutura de três tipos de Ferro Fundido


Aqui também pode-se citar o uso do Ferro Fundido na confecção de quintas-rodas. Observe a imagem abaixo:

Imagem 4 - Quinta-roda da marca SAF-Holland modelo GC-6


 

Aço-Liga


Quando a aditivação no Ferro puro vai além do Carbono, e elementos como por exemplo o Silício, Cromo, Manganês, Níquel, Molibdênio, Tungstênio e Vanádio estão também presentes em quantidades acima do normal (isto de acordo com a norma SAE-AISI), os nomeamos "Aço-Liga". Estes elementos químicos são adicionados ao metal no estado líquido ou por tratamentos termoquímicos que alteram alguma de suas propriedades químicas, físicas ou mecânicas. A mistura entre o metal e estes elementos de liga dá sentido ao nome "liga metálica".


Aqui, temos três tipos de Aço-Liga:

Aço baixa liga: Até 5% de elementos aditivos;

Aço média liga: Entre 5% e 12% de elementos aditivos;

Aço alta liga: Acima de 12% de elementos aditivos.


OBSERVAÇÂO: A designação SAE-AISI considera como Aço-Liga aqueles que ultrapassam os limites de 1,65% de Manganês, 0,60% de Silício ou 0,60% de Cobre. Sendo assim, o Aço-Carbono, com valores de aditivação inferiores à estes, não se enquadra na classe dos Aços-Liga. Isto significa que, o Ferro Fundido, com entre 1% e 4% de Silício adicionado, pode ser, teoricamente, enquadrado nesta classificação.


Abaixo, uma tabela com diferentes elementos químicos que podem ser adicionados ao Ferro e suas vantagens:

Tabela 2 - Elementos de liga adicionados ao Ferro e suas vantagens


Com isto, podemos elevar o assunto para outros tipos de ligas metálicas...


Aço-Inox (Aço Inoxidável)


É composto por uma liga de Aço-Carbono e Cromo como aditivo principal. O Cromo quando em contato com o Oxigênio presente no ar forma uma camada de óxidos que protege o material contra a corrosão. Esta camada é chamada de "camada passiva". É importante haver uma completa homogeneização na distribuição do Cromo em toda a peça de aço inoxidável, para assim ela ter uma boa e uniforme resistência à corrosão.

Infográfico 1 - No Aço-Inox, uma película de Óxido de Cromo é formada por cima do Aço-Carbono


Existem alguns tipos de Aço-Inox. A classificação é dada abaixo:

Gráfico 1 - Classificação do Aço-Inox


CURIOSIDADE: O Aço-Inox é um exemplo de Aço alta liga, pois possui mais de 12% de aditivação.


Aqui vão algumas informações sobre o Aço-Inox da Série 2xx e 3xx:

Os aços 2xx possuem Manganês (Mn), sendo que muitas vez combinado com Nitrogênio (N) ou Cobre (Cu), fazendo com que o teor de Níquel (Ni) possa ser reduzido, e isto diminui seu desempenho. Os aços 2xx também possuem menor teor de Cromo (Cr) que os 3xx, o que resulta em uma menor resistência à corrosão, principalmente em ambientes úmidos e com elevados teores de Cloro. O elevado teor de Enxofre associado ao menor Cromo resulta em menor resistência à corrosão por pites nos aços 2xx. O elevado teor de Carbono no 2xx reduz o desempenho em materiais soldados (sensitização).

Os Aços-Inox da série 2xx possuem boa resistência mecânica e ao impacto, sendo geralmente mais duros do que os aços da série 3xx, principalmente quando há elevado teor de Nitrogênio. A ductilidade, entretanto, é inferior à dos aços 3xx. A classe Cromo-Manganês é sensível a “transformações martensíticas” (uma alteração da microestrutura que pode ocorrer durante a deformação), especialmente quando o Níquel é reduzido, tornando-os mais sensíveis à trincas após operações de estampagem profunda.


CURIOSIDADE: A corrosão por pites, ou pite, é uma forma de corrosão extremamente localizada que leva à geração de pequenos furos no metal. A ruptura localizada da camada passiva e o ataque corrosivo restrito a um ou mais pontos pode levar à perfuração da superfície exposta do aço, e a isso denomina-se “corrosão por pites”.


O Aço INOX 3xx talvez seja o que mais têm uso na indústria. Os implementos rodoviários que transportam combustíveis cujo tanque é de INOX, são, em sua grande maioria, do tipo 304:

Imagem 5 - Implemento rodoviário com tanque para líquidos inflamáveis feito em INOX 304


Também é comum o uso da nomenclatura "AISI 304":

Imagem 6 - Tanque para transporte de líquidos feito em INOX 304


Agora temos um exemplo mais complexo, onde o aço INOX é descrito como "X5CrNi18.10". Pois bem, esta é uma classificação dada pela Normatização Europeia (European Normalization - abreviado por "EN"). Observe a imagem abaixo, da plaqueta de identificação de um vaso para armazenamento de gases fabricado na França pela Cryolor Ennery France:

Imagem 7 - Um vaso para transporte de gás sob um chassi Van Den Burg, oriundo da Holanda


O "EN X5CrNi18.10" nada mais é do que o INOX 304, ou então o AISI 304, ou SAE 304, ou JIS SUS 304...


Para os tanques feitos em INOX 3xx que transportam líquidos perigosos, as válvulas de controle de pressão possuem, na grande maioria, o 'miolo' feito em INOX 316 / 316L, como é possível ver na imagem abaixo:

Imagem 8 - Válvula de alta pressão em bancada de testes


CURIOSIDADE: Caso queira saber como ela é por dentro, veja esta publicação vinculada no Facebook do HC, que descreve a estrutura de uma válvula de baixa pressão para tanques rodoviários. A grande diferença está nos materiais utilizados e na existência de dois conjuntos base-mola-diafragma, o oposto das válvulas para tanques de alta pressão, onde há apenas um (já que o processo de abertura da tampa do tanque também difere dos de baixa pressão).


Agora, vamos mudar do âmbito industrial de veículos pesados e ir para o da indústria eletrônica. Onde o INOX poderia ser utilizado em circuitos?

Veja este soquete LGA 1151, da Intel:

Imagem 9 - Soquete LGA da Intel


Observe toda a estrutura de retenção da CPU por cima da matriz de pinos. Segundo informações obtidas no datasheet do soquete LGA 775 (Socket Design Guide > Página 14), o chamado ILM (Independent Loading Mechanism) é confeccionado em liga JIS SUS 301, ou seja, INOX 301, como podemos ver no trecho de texto abaixo:

Infográfico 2 - Detalhes do soquete no datasheet da Intel


O soquete LGA 775 não tinha um sistema especial de dobradiças para a alavanca de travamento, tampouco parafusos para a fixação do sistema na placa-mãe através de um back plate (placa traseira). A fixação do módulo de retenção da CPU é feito por um quadro preso (encaixado antes da solda BGA) ao próprio soquete de LCP, e afixados nele a placa de carga (Load Plate) e a alavanca (Load Lever). O quadro e a placa de carga são feitos em INOX 301, já a alavanca é um Aço-Carbono de numeração não identificada, porém, galvanizado a frio com Níquel.

Nos sistemas posteriores, como é o caso do LGA 1156, 1155, 1150, 1151, 1366, 2011 e atuais, a placa de carga é feita em INOX 3xx, no entanto, as dobradiças e os parafusos, bem como a alavanca são em Aço-Carbono galvanizado a frio com Níquel.


Outro uso para o INOX esta nos soquetes de memória RAM SODIMM. Note nos folders abaixo que as alavancas de travamento são feitas em aço INOX:

Diagrama 2 - Slot SODIMM SDR com alavancas feitas de INOX (Stainless Steel)


CURIOSIDADE: Aprecie o texto frisado "Latch: Stainless Steel, Tin Plating", e perceba que as alavancas são Estanhadas através de galvanização a frio para dar uma 'acabamento' diferente ao INOX.


O padrão SDR (Single Data Rate) foi muito pouco utilizado pela indústria na versão comum DIMM, com slot de 168 pinos. Menos ainda foi a versão do Folder acima, com formato SODIMM, sigla para Small Outline Dual Inline Memory Module, que em português significa "Módulo de Memória em Linha Dupla de Contorno Pequeno". No entanto, ele é listado aqui por ser um padrão bastante antigo, mas que já tinha as características de construção utilizadas até hoje em slots SODIMM DDR, DDR2, DDR3 e DDR4:

Diagrama 3 - Slot SODIMM para memórias RAM DDR3


CURIOSIDADE: Os plásticos usados na confecção da carcaça destes e de outros slots, em geral, são LCPs. Mas o que seria este material? CLIQUE AQUI! para saciar suas curiosidades!

Há casos onde a(s) alavanca(s) pode(m) ser feita(s) em Aço-Carbono na faixa dos SAE 1040 até 1070, e, posteriormente, galvanizados a frio com Níquel, ou Níquel>Estanho, ou Cobre>Níquel, assim como ocorre na alavanca de um socket LGA da Intel, por exemplo.


Outro uso para o INOX, porém não tão amplo, é na confecção de carcaças de discos rígidos (HDs) de computadores, servidores e notebooks. O INOX passa por fundição, admitindo o formato necessário para abrigar todos os componentes do HD:

Infográfico 3 - Uso do INOX em carcaças de HD comprovado através de análise por Fluorescência de Raios X (FRX)


Atualmente, as ligas de Alumínio fundido são mais utilizadas devido a redução de massa e custos quando comparado ao INOX.


Aço MRBL (Média Resistência, Baixa Liga)


Também são conhecidos como Aços MSLA (sigla em inglês para Medium-strength, low-alloy), valendo-se de tal nome, pois os teores de elementos de liga adicionados são muito mais baixos do que em aços de outras categorias, como por exemplo o Aço-Inox, no entanto possui propriedades mecânica inferiores ao ARBL.

Os Aços MRBL possuem limite de escoamento mínimo entre 195 e 259 MPa, bem abaixo dos 290 iniciais para ser considerado um ABRL.


Um bom exemplo de Aço MBRL é o ASTM A36 (não confundir com ASTM B36, que normatiza ligas de latão entre o UNS C21000 e C28000).


Outro exemplo é o ASTM A516 Gr70, utilizado também na fabricação de cilindros / vasos para transporte e armazenamento de gases, como é possível ver na foto seguinte:

Imagem 10 - Vaso de origem Argentina, confeccionado em SA 516 Gr70


Os aços ABNT NBR LN200, LN230 e LN250 comumente são referidos como "ARBL", no entanto, seu limite de escoamento começa antes dos 290 MPa, podendo ser considerado também um MRBL. Veja abaixo um tanque rodoviário para transporte de líquidos inflamáveis feito em LN250:

Imagem 11 - Este aço está no limiar entre os MRBL e os ARBL


CURIOSIDADE: A nomenclatura de tais aços pode ser "LNxx", "LNxxx", "LNExx" ou "LNExxx", no entanto, a fabricante RANDON costuma usar sua própria nomenclatura "LNrand xxx".


Aqui, neste limiar, existe uma confusão, onde até mesmo o LN280 pode ser incluso na lista dos MRBLs:

Lembre-se que a abreviação "USI" se refere à Usiminas


Já o fabricante Gerdau, que será mostrado no tópico seguinte, inclui os LN200 e superiores na classe ARBL. No entanto, aços LN com resistência de escoamento superior à 550 MPa já estão num nível acima dos ARBL. Isto, somado ao grande número de padronizações espalhado pelo mundo, torna tudo uma grande confusão.


Aço ARBL (Alta Resistência, Baixa Liga)


Também são conhecidos como Aços HSLA (sigla em inglês para high-strength, low-alloy), valendo-se de tal nome, pois os teores de elementos de liga adicionados são muito mais baixos do que em aços de outras categorias, como por exemplo o Aço-Inox. Este tipo de liga metálica proporciona melhores propriedades mecânicas, ou maior resistência à corrosão do que o Aço-Carbono.


OBSERVAÇÃO: Lembrando que, dentro do âmbito dos "Aços baixa liga", há no máximo 5% de elementos aditivos. Nos Aços ARBL, a composição química prioriza as características mecânicas (por isso "Alta Resistência" no nome).


Aços ARBL diferem de outros tipos devido ao fato de que não são feitos para atender a uma composição química específica, mas sim a propriedades mecânicas específicas e, em alguns casos, melhor resistência à corrosão atmosférica do que aquela obtida com o Aço-Carbono convencional, tanto que, a classificação de aços ARBL é definida pelos níveis de resistência ao escoamento, e não pela composição química.

Aços ARBL podem ser produzidos em forma de laminados com resistência ao escoamento (LE) na faixa de 290 a 550 MPa e resistência à tração (LR) na faixa de 415 a 700 MPa. Por causa de seu baixo teor de Carbono (entre 0,05 e 0,25%) apresentam excelente soldabilidade.

Exemplos de aços ABRL são o ASTM A572, o A242, o A441, A618, A1011 e o A1008.

Quando se trata de Norma Brasileira (NBR), temos a linha de aços LN, ou LNE, que pode ser vista nesta tabela da Gerdau:

Tabela 3 - Aços ARBL normatizados pela ABNT NBR 6656 recebem a nomenclatura "LNExxx", onde os números representam o Limite de Escoamento (LE) mínimo


OBSERVAÇÃO: Perceba que, seguindo a lógica, os aços LN200 e LN230 ainda estão na faixa dos "Media Resistência, Baixa Liga". Já os Aços LN260 e LN280 já possuem um limite de escoamento que atinge a faixa dos ARBL.

Tabela 4 - Note que o LN260 possui resistência de escoamento na casa dos 260 a 350 MPa, configurando-o um ARBL


Os aços LN são comuns de serem encontrados em tanques que transportam líquidos perigosos, como é possível notar na próxima imagem:

Imagem 12 - Um semi-reboque fabricado pela ENOVA com vaso feito em LN-28


CURIOSIDADE: O desenvolvimento desta classe de materiais foi impulsionado pela demanda por aços resistentes, tenazes e soldáveis para tubulações de transporte de óleo e gás, navios e plataformas de perfuração “off-shore”. Também podem ser utilizados para reduzir a massa, levando ao menor consumo de combustível, sendo excelentes para automóveis.


Os mecanismos de endurecimento utilizados nos aços ARBL incluem:

→ Refino de grão;

→ Precipitação;

→ Subestrutura de discordâncias;

→ Endurecimento por solução sólida;

→ Envelhecimento com deformação.


A produção destes aços pode envolver:

→ Pequenas adições de elementos formadores de carbetos e nitretos (microligantes);

→ Laminação controlada;

→ Resfriamento controlado;

→ Controle de forma de inclusões.


Estes fatores podem ser abordados separadamente ou em combinações para produzir as propriedades desejadas.


Genericamente, Aços ARBL podem ser classificados em:


Aços de laminação controlada: Laminados a quente, que possuam uma estrutura austenítica altamente deformada que irá se transformar em ferrita equiaxial muito fina ao resfriar. Exemplos deste tipo de aço são o SAR 80T e o SAR 50A, utilizado nas confecção de cilindros para armazenamento e transporte de gases. Observe a imagem abaixo:

Imagem 13 - Um vaso para transporte de gás feito em SAR 80T e SAR 50A


Os aços LN discutidos acima também pertencem a este grupo. Quando produzidos pela USIMINAS, podem ter o nome "USI-LNxxx" ou então, simplesmente "USIxxx", como é possível ver na imagem abaixo:

Imagem 14 - O USI 350, ou USI-SAC 350, ou então SAC 350 é o LNE-350


Outro exemplo de uso do LN-350 é em silos rodoviários, como este modelo da Brucal:

Diagrama 4 - O USI SAC 50 é uma antiga nomenclatura, substituída pelo USI 350


Aços com perlita reduzida: Aços de baixo teor de Carbono, que levam a pouca ou nenhuma perlita, mas sim uma matriz ferrítica de granulagem muito fina. Ele é endurecido por precipitação;


Aços de ferrita acicular: Estes aços são caracterizados por uma estrutura de ferrita acicular muito fina e resistente, teor de Carbono muito baixo e boa temperabilidade;


Aços Bifásicos (ou Dual-Phase): Estes aços têm uma estrutura ferrítica que contém pequenas seções de martensita ou bainita, uniformemente distribuída. Esta microestrutura dá aos aços um limite de escoamento baixo, alta taxa de endurecimento por deformação e boa conformabilidade;


Aços Microligados: Contêm pequenas adições de Nióbio, Vanádio e / ou Titânio para obter um tamanho de grão refinado e / ou endurecimento por precipitação.

Exemplos de aços microligados são o ASTM A1008, ASTM A1011. Observe a imagem abaixo:

Imagem 15 - Tanque para transporte de líquidos inflamáveis feito em Aço ARBL ASTM A1011 SS G36 / Tipo 2


CURIOSIDADE: O ASTM A1008 é obtido a partir da redução a frio do aço laminado a quente com posterior recozimento, contendo cerca de 0,40% de Manganês e uma adição de até 0,08% de Carbono. O subsequente tratamento térmico, responsável por conferir as principais propriedades mecânicas ao produto, pode opcionalmente ser feito por duas tecnologias:

> Recozimento em caixa: (BAF – batch annealing furnace);

> Recozimento contínuo: (CAPL – continuous annealing and processing line).


Os aços patináveis (Corten ou COR-TEN) são aços que contêm pequenas adições de elementos de liga, como cobre, fósforo, níquel e cromo (que também o torna da classe dos ARBL microligados), que em determinadas condições ambientais contribuem para a formação de uma pátina que protege esses aços da ação corrosiva na atmosfera oxidante de muitos ambientes.

Esses aços foram desenvolvidos inicialmente nos Estados Unidos por volta de 1932 e receberam a denominação de COR-TEN como abreviação de resistência á corrosão (CORrosion resistance) e resistência à tração (TENsile strength). Na Alemanha, os aços do tipo Puddelstahl apresentaram características semelhantes.

Os principais tipos de aço patináveis disponíveis no mercado são os aços “COR-TEN A” (que recebeu a designação ASTM A 242) de uso arquitetônico, “COR-TEN B” (ASTM A 588) de uso estrutural e ASTM A 606 para chapas finas.


CURIOSIDADE: Os diferentes tipos de aços patináveis podem ser classificados em dois grupos principais:

→ 1: Aços patináveis com baixos teores de Fósforo a múltiplas adições de elementos de liga para endurecimento por solução sólida e aumento da resistência á corrosão;

→ 2: Aços patináveis especiais (patenteados, de marcas registradas) com altos teores de fósforo (0,05 a 0,15 %) para endurecimento e melhoria de resistência à corrosão, juntamente com múltiplas adições de elementos de liga, semelhantes às dos aços patináveis com baixos teores de fósforo. A microestrutura desses aços geralmente contém ferrita e perlita.


Observe abaixo a tabela do fabricante Gerdau para aços patináveis:

Tabela 5 - Tabela com descrição de aços patináveis

 

Aço Zincado (Galvanização)


A zincagem é feita através da galvanização, isto é, o processo de aplicação de uma camada protetora (neste caso o Zinco) em uma superfície metálica (podendo ser algum tipo de Aço-Carbono ou Aço-Liga) ou Ferro de modo a evitar-se corrosão. É uma alternativa mais barata se comparada com o Aço-Inox, porém não é tão durável quanto.


CURIOSIDADE: Os termos galvanoplastia, eletrodeposição metálica e galvanostegia são sinônimos de galvanização.


CURIOSIDADE: A prova da baixa durabilidade dos Aços galvanizados pode ser vista em tubulações de escapamento não genuínas para automóveis, isto é, vendidas fora de concessionária. Enquanto uma tubulação original, feita em um Inox 200 ou 400 podem durar cerca de uma década, as chapas galvanizadas ou galvalume duram entre um e quatro anos.


Também é comum o uso do termo "Aço-Galvalume", uma liga de Zinco composta por Alumínio, Zinco e Silício (55%Al43,5%Zn1,5%Si). Chapas de Aço-Galvalume são um bocado mais resistentes à oxidação do que as galvanizadas apenas com Zinco.


A galvanização, seja com Zinco puro ou com Ligas de Zinco (tipo o Galvalume) pode não ser uma boa opção em chapas cujo teor de Fósforo e Silício na liga de Aço-Carbono ou Ferro Fundido fique entre 0,03% e 0,14% em massa. Aços com estas características não devem ser galvanizados, pois a reação entre o Zinco e o Ferro é crítica, resultando em um revestimento muito espesso, irregular e com uma aderência baixa. Aços com valores entre 0.15% e 0.35% de Silício e Fósforo podem ser galvanizados, no entanto, o revestimento será mais quebradiço e sua espessura resultante será sempre muito superior aos aços com níveis entre 0% e 0.03%, devendo assim serem utilizados apenas em estruturas que sejam expostas a ambientes muito corrosivos. Nestas ligas, a porcentagem do Fósforo sozinho não deve passar os 0.20%.


CURIOSIDADE: A gama de valores de Silício e Fósforo que influenciam negativamente a galvanização chama-se "Gama de Sandelin" e situa-se entre 0.03% e 0.14% em massa, como já dito anteriormente.


O método mais comum é a Galvanização por imersão a quente (Hot-dip Galvanizing ou HDG) no qual as peças ou estruturas são mergulhadas num banho de Zinco fundido. Existe também a Galvanização a frio e a Cementação por Zinco.


A galvanização a frio é comum em sistemas eletrônicos, como você pode ver no Capítulo sobre ligas não-ferrosas (Cobre e Zinco). A principal vantagem é a criação de uma camada ultra fina (com poucos átomos de espessura) muito resistente e que não interfere de forma significativa nas propriedades elétricas e térmicas do componente.

Uma curiosidade é a existência da dupla galvanização, que é quando duas camadas de materiais diferentes são depositadas sobre o metal com a função de dar mais proteção e melhorar a soldabilidade, como ocorre em terminais elétricos de conectores ou slots de expansão de circuitos eletrônicos, onde o Níquel tem a função de inibir a oxidação do Cobre (ou liga de Cobre) e o Ouro ou o Estanho têm a função de melhorar a conexão elétrica e o processo de solda.

Você pode ver mais sobre interfaces e seus conectores ou slots CLICANDO AQUI e lendo os artigos da Unidade 2.

Um outro exemplo é a deposição do Cobre puro sobre uma chapa de Aço-Carbono para melhorar sua condutividade térmica superficial e, por cima dele, uma película de Níquel para inibir oxidação. Uma exemplo de aplicação para isso é na base de alguns coolers box da Intel, como aquele mostrado no Diagrama 1:

Imagem 16 - Dupla galvanização a frio em metais de sistemas eletrônicos


CURIOSIDADE: Observe o Diagrama 2 e note o uso de aço INOX galvanizado com Estanho. Nesse caso, a galvanização seria redundante, mas se justificando para fins estéticos.


Um exemplo de Aço-Carbono galvanizado, só que desta vez com Níquel, é a alavanca dos soquetes LGA da Intel. É muito mais durável que a galvanização com Zinco quando se trata de proteção contra oxidação.

Em resumo:


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

→ Aços-Carbono: Aqueles em que está presente o Carbono em quantidades que variam entre 0,008 e 2,11%, bem como elementos residuais em teores considerados "normais", tipo o Manganês (entre 0,45% e 0,90%), Silício (Até 0,030%), Fósforo (até 0,030%), Alumínio (0,10%) e Enxofre (0,050%);

→ Aço-Carbono Ressulfurados / Refosforados ou Aço-Carbono Alto-Manganês: Possuem teor de Manganês entre 1% e 1,65%, teor de Fósforo até na faixa de 0,10%, teor de Silício até 0,60% e teor de Enxofre de cerca de 0,1% (onde alguns tipos podem atingir 0,3%). Acima de tais valores, de acordo com a norma SAE / AISI, entramos na classificação dos Aços-Liga;

→ Aços-Liga: Aqueles em que há concentração de outros elementos químicos que vão além do Fósforo, Silício, Enxofre e Manganês e ou que estão acima dos teores listados no tópico acima, sendo classificados como:

>> Baixo teor em liga: Aqueles em que os elementos adicionados não ultrapasse a quantidade total de, normalmente, 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. Bons exemplos de aços baixa-liga são os MRBL e ARBL;

>> Alto teor em liga: Aqueles em que o teor total dos elementos de liga adicionados 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, frequentemente, operações múltiplas. Um bom exemplo de aço alta-liga é o INOX;

>> Médio teor em liga: Aqueles que constituem o grupo intermediário entre os dois anteriores;


→ Ferro Fundido: Está posicionado acima do Aço-Carbono, pois possui maior teor de Carbono, indo de 2,11% até 6,67%. Além disso, possui Silício em quantidade considerável, que pode variar entre 1% e 4%, podendo ser, de certa forma, chamado de Aço-Liga. Exemplos de tipos de Ferro Fundido são o Branco, o Cinzento, o Maleável, o Nodular e o Vermicular;


→ Aço Galvanizado: Processo de recobrimento de um metal com outro(s) afim de reduzir sua oxidação, ou até mesmo inibi-la em alguns casos. Sai mais barato que utilizar um Aço INOX, porém, pode não é tão durável quanto.


2. Existem várias normas internacionais que classificam as ligas metálicas ferrosas, e algumas delas podem ser vistas abaixo:

Imagem 17 - Algumas das organizações internacionais de padronização


A nossa organização é a ABNT, que criou as especificações LN / LNE e as normas ABNT NBR para os mais diversos tipos de aços, que possuem seus equivalentes no padrão ASTM ou EN, por exemplo.

Já a padronização local USI é exclusiva da siderúrgica Usiminas, porém, serve mais pra identificar seus produtos do que pra classificar ligas metálicas, já que, em grande parte, segue a ABNT.

De qualquer forma, existem milhares e milhares de tipos de ligas metálicas ferrosas, sendo impossível descreve-las em um só texto, no entanto, esta publicação, que é só um 'resumão' sobre o assunto, estará aberta para atualizações!


Se você achou alguma inconsistência ao longo do texto, ficou com alguma dúvida ou possui mais informações para acrescentar neste artigo, não deixe de entrar em contato com o HC!


Nosso e-mail é hardwarecentrallr@gmail.com!

 

FONTES e CRÉDITOS:


Texto: Leonardo Ritter.

Imagens: Leonardo Ritter; Google Imagens

Diagramas e Folders: Intel Corporation, Brucal Implementos Rodoviários.

Fontes: Infomet; astm.org; metalhaga; documentos técnicos da Intel e da Brucal; Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Itigic Portugal; motorservice.com; Wikipedia (somente artigos com Fontes Verificadas!).


Última atualização: 23 de Maio de 2022.

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