Os metais ferrosos constituem a espinha dorsal estrutural da indústria moderna. Estendem-se desde vigas de construção, engrenagens automóveis, bases de máquinas e instrumentos cirúrgicos. De facto, as ligas à base de ferro representam mais de 90% do consumo de materiais de engenharia, em peso. As suas vantagens combinadas incluem elevada resistência, excelente resistência ao desgaste, capacidade de tratamento térmico e controlo de custos. No entanto, o termo “metal ferroso” está longe de ser um rótulo único. A usinabilidade do aço de baixo carbono difere drasticamente da do aço rápido. Da mesma forma, as aplicações do aço inoxidável 304 quase não se sobrepõem às do ferro fundido cinzento. Por conseguinte, compreender a lógica de classificação, os limites de desempenho e as estratégias de maquinagem dos metais ferrosos é o pré-requisito para que os engenheiros tomem decisões acertadas na seleção de materiais.
Este guia começa pelas definições e critérios de classificação. Em seguida, aborda sistematicamente as propriedades essenciais, as seis principais categorias de materiais, as funções dos elementos de liga, as estratégias de maquinagem CNC, as aplicações típicas, as vantagens e desvantagens e os métodos de seleção de materiais. Além disso, fornece dados quantificados que os engenheiros podem aplicar diretamente nas revisões de processos.
1. Critérios de referência para a definição e classificação
O que são metais ferrosos?
Os metais ferrosos são metais e ligas em que o ferro (Fe) constitui o principal componente. A palavra “ferroso” deriva do latim ferrum, que significa ferro. Entretanto, o único critério para classificar um material como ferroso é se o ferro é o seu principal componente — e não se é magnético. Os metais ferrosos típicos incluem o aço ao carbono, o aço inoxidável, o aço-liga, o aço para ferramentas, o ferro fundido e o ferro forjado.
Um esclarecimento importante: nem todos os metais ferrosos são magnéticos. Os aços inoxidáveis austeníticos (como o 304 e o 316) apresentam comportamento paramagnético no estado recozido. Consequentemente, os ímanes não aderem a eles. Por outro lado, alguns ímanes permanentes de terras raras são fortemente magnéticos, mas não contêm ferro, o que os torna não ferrosos. Consequentemente, “conter ferro” e “ser magnético” são duas dimensões de classificação independentes que nunca devem ser confundidas.
Teor de carbono: o principal critério para a classificação dos metais ferrosos
O teor de carbono é a variável mais importante que distingue o aço do ferro e que determina as propriedades dos metais ferrosos. O carbono forma cementite (Fe₃C) com o ferro. Isto aumenta significativamente a dureza e a resistência, ao mesmo tempo que reduz a ductilidade e a soldabilidade. Assim, os limites de classificação padrão da indústria são os seguintes:
Categoria
Teor de carbono
Materiais típicos
Características principais
Ferro forjado
<0,08%
Ferro forjado
Extremamente macio, altamente dúctil, praticamente não submetível a tratamento térmico
Aço de baixo teor de carbono
0.05%–0.25%
AISI 1018, Q235
Macio, fácil de usinar, excelente soldabilidade, menor resistência
Aço de teor médio de carbono
0.25%–0.60%
AISI 1045, 40Cr
Maior resistência, adequado para tratamento térmico de têmpera e revenimento, soldabilidade moderada
Aço de alto teor de carbono
0.60%–2.10%
AISI 1095, T8
Elevada dureza, excelente resistência ao desgaste, frágil, fraca soldabilidade
Ferro fundido
2.10%–4.50%
HT200, QT600
Excelente fluidez, fácil de moldar, amortecedor de vibrações, resistente ao desgaste, baixa ductilidade
Como se pode ver na tabela, cada passo num intervalo de teor de carbono determina uma mudança qualitativa na estratégia de maquinagem e no cenário de aplicação. Por conseguinte, limitar-se a indicar “aço” ou “ferro” nos desenhos técnicos está longe de ser suficiente. Em vez disso, é necessário especificar claramente a qualidade específica, as condições de tratamento térmico e o valor da dureza.
2. Metais ferrosos vs. metais não ferrosos
A diferença fundamental entre os metais ferrosos e não ferrosos reside no teor de ferro. No entanto, as diferenças no seu desempenho técnico vão muito além disso. Assim, a tabela comparativa que se segue apresenta de forma sistemática as diferenças em dez aspetos:
Dimensão
Metais ferrosos
Metais não ferrosos
Componente principal
Ferro como matriz
Metal sem ferro ou não ferroso como matriz
Densidade
7,0–8,0 g/cm³ (geralmente elevado)
1,7–19,3 g/cm³ (intervalo muito amplo)
Força
Geralmente elevada, passível de tratamento térmico
Varia bastante; o alumínio apresenta uma variação moderada, enquanto o titânio apresenta uma variação elevada
Resistência à corrosão
Aço ao carbono: fraco; aço inoxidável: bom
Alumínio, titânio e cobre são, em geral, bons
Condutividade elétrica
Moderado a baixo (7–18% IACS)
Cobre 100% IACS, alumínio 62% IACS
Magnetismo
A maioria é magnética (exceto o aço inoxidável austenítico)
Geralmente não magnético
Usinabilidade
Varia muito; o aço de baixo teor de carbono é fácil de trabalhar, enquanto o aço temperado é difícil
Alumínio/latão: fácil; titânio/base de níquel: difícil
Custo
Geralmente económico (o aço inoxidável e o aço para ferramentas são mais caros)
Geralmente mais elevadas (titânio, ligas à base de níquel, cobre)
Aplicações típicas
Estruturas, engrenagens, eixos, moldes, construção
Redução de peso no setor aeroespacial, condutividade eletrónica, dissipação de calor
Não existe uma superioridade absoluta na escolha dos materiais. Por exemplo, um eixo de caixa de velocidades sujeito a cargas elevadas adapta-se melhor ao aço-liga 4140. Em contrapartida, uma caixa leve para a indústria aeroespacial deve ser fabricada em alumínio. Por outro lado, os condutores elétricos beneficiam do uso de cobre, enquanto as válvulas de precisão resistentes à corrosão são mais adequadas ao aço inoxidável 316. Assim, os engenheiros devem ponderar a resistência, o peso, a resistência à corrosão, a condutividade, a usinabilidade e o custo, de acordo com as condições reais de funcionamento.
3. Características essenciais de desempenho
Resistência e dureza
A vantagem mais notável dos metais ferrosos é a elevada resistência e a capacidade de tratamento térmico. O aço de baixo teor de carbono, no estado recozido, apresenta uma resistência à tração de aproximadamente 350–450 MPa. O aço-liga 4340, submetido a têmpera e revenimento, pode atingir 1000–1200 MPa. Além disso, os aços de resistência ultra-elevada ultrapassam os 1500 MPa. A dureza varia, por sua vez, entre 120 HBW para o aço de baixo teor de carbono e mais de 65 HRC para o aço rápido — um intervalo extraordinariamente amplo.
Na usinagem CNC, cada aumento no grau de dureza eleva significativamente as forças de corte, as temperaturas de corte e o desgaste das ferramentas. Especificamente, ao usinar aço endurecido acima de HRC 50, os fabricantes costumam mudar para ferramentas de CBN ou cerâmicas. Também reduzem as velocidades de corte para 1/3 a 1/5 das utilizadas para o aço convencional.
Resistência ao desgaste e durabilidade
Os aços de alto teor de carbono, os aços para ferramentas e muitos aços ligados alcançam uma excelente resistência ao desgaste através do reforço com carbonetos e do tratamento térmico. Além disso, as escamas de grafite presentes no ferro fundido cinzento proporcionam um efeito autolubrificante. Isto apresenta um desempenho excecional em pares de atrito, tais como guias, buchas e furos de cilindros. Consequentemente, para componentes sujeitos a atrito e impacto repetidos — engrenagens, eixos, moldes, guias e ferramentas de corte — os metais ferrosos são praticamente insubstituíveis.
Propriedades magnéticas
A maioria dos metais ferrosos apresenta ferromagnetismo. Esta propriedade é indispensável em motores, geradores, núcleos de transformadores e dispositivos magnéticos. No entanto, tal como referido anteriormente, os aços inoxidáveis austeníticos (304, 316) são paramagnéticos no estado recozido. A razão prende-se com o facto de o níquel estabilizar a estrutura austenítica cúbica de faces centradas (FCC). Após a deformação a frio, parte da austenita transforma-se em martensite, e o magnetismo aumenta ligeiramente. Isto explica por que razão algumas peças maquinadas em aço inoxidável 304 podem ser fracamente atraídas por ímanes.
Resistência ao calor
O aço comum de baixo teor de carbono apresenta uma oxidação significativa e perda de resistência acima dos 400 °C. Em comparação, os aços ligados e os aços inoxidáveis que contêm crómio, níquel e molibdénio podem funcionar a longo prazo a temperaturas entre 600 e 1000 °C. Por exemplo, o aço inoxidável 310 é utilizado em componentes de fornos a altas temperaturas, abaixo dos 1 000 °C. A liga à base de níquel Inconel 625 mantém uma elevada resistência a 980 °C. Por conseguinte, ao selecionar materiais para utilização a altas temperaturas, os engenheiros nunca devem basear-se apenas na designação “ferro”. Em vez disso, devem avaliar a resistência ao escoamento, o limite de fluência e a resistência à oxidação para cada tipo específico de liga.
Resistência à corrosão
A resistência à corrosão varia enormemente entre os metais ferrosos. O aço ao carbono comum e o ferro fundido enferrujam rapidamente quando expostos ao ar húmido (formando Fe₂O₃·xH₂O). Para se protegerem, dependem de tratamentos de superfície, tais como galvanização, pintura, revestimento em pó ou oxidação negra. Em contrapartida, os aços inoxidáveis, através da adição de, pelo menos, 10,5% de crómio, formam na superfície uma película passiva densa de Cr₂O₃ que se autorregenera e proporciona resistência à corrosão. Além disso, o aço inoxidável 316, com 2–3% de molibdénio adicionado, apresenta uma resistência à corrosão por pite significativamente superior à do 304 em ambientes que contêm cloretos, tais como a água do mar e os desinfectantes médicos.
Condutividade elétrica e térmica
Os metais ferrosos apresentam, em geral, uma condutividade elétrica inferior à do cobre e do alumínio. O ferro puro conduz a aproximadamente 18% IACS. Os aços ao carbono apresentam valores ainda mais baixos, entre 7 e 12% IACS, devido ao carbono e aos elementos de liga. Em termos de condutividade térmica, o aço ao carbono apresenta um valor de cerca de 50 W/(m·K). O aço inoxidável atinge apenas 15–20 W/(m·K). É precisamente por isso que o calor de corte na maquinagem do aço inoxidável não consegue dissipar-se através da peça e tende a acumular-se na aresta de corte. Consequentemente, os metais ferrosos são mais adequados para aplicações que exigem resistência mecânica do que para aquelas que dão prioridade à máxima condutividade elétrica ou térmica.
4. Seis categorias principais de metais ferrosos
1. Aço ao carbono
O aço ao carbono é uma liga de ferro e carbono em que o carbono funciona como o principal elemento de reforço. É classificado, consoante o teor de carbono, em aço de baixo carbono, de médio carbono e de alto carbono. O aço de baixo carbono (1018, Q235) apresenta o custo mais baixo, a melhor ductilidade e uma excelente soldabilidade. É amplamente utilizado em suportes, estruturas, chapas metálicas e elementos de fixação. Por sua vez, o aço de carbono médio (1045, 40Cr) proporciona maior resistência e dureza. Pode atingir boas propriedades mecânicas globais através do temple e do revenimento. Isto torna-o o material preferido para eixos, engrenagens e bielas. Por fim, o aço de alto teor de carbono (1095, T8) apresenta uma dureza e resistência ao desgaste extremamente elevadas. No entanto, apresenta fragilidade e fraca soldabilidade. É utilizado principalmente em molas, lâminas e ferramentas manuais.
2. Aço inoxidável
O aço inoxidável é uma liga à base de ferro que contém, pelo menos, 10,5% de crómio. É classificado, com base na microestrutura, em cinco categorias. Em primeiro lugar, os tipos austeníticos (304, 316) são não magnéticos, resistentes e não passíveis de tratamento térmico. Em segundo lugar, as classes ferríticas (430) são magnéticas e de baixo custo. Em terceiro lugar, as classes martensíticas (410, 440C) são endurecíveis por têmpera e resistentes ao desgaste. Em quarto lugar, as classes duplex (2205) combinam uma fase dupla de austenita e ferrita com elevada resistência mecânica e resistência à corrosão. Por fim, as classes de endurecimento por precipitação (17-4PH) são endurecíveis por envelhecimento até 44 HRC. São amplamente utilizadas em dispositivos médicos, processamento alimentar, produtos químicos, indústria aeroespacial e peças CNC de precisão. Durante a maquinagem, os fabricantes devem prestar especial atenção ao endurecimento por deformação, à acumulação de calor de corte e ao controlo das limalhas.
3. Aço-liga
O aço ligado incorpora elementos como crómio, níquel, molibdénio, vanádio e manganês ao aço ao carbono. Estes elementos aumentam a resistência, a temperabilidade, a tenacidade, a resistência ao desgaste ou o desempenho a altas temperaturas. O 4140 (aço Cr-Mo) e o 4340 (aço Ni-Cr-Mo) são os aços-liga de engenharia mais comuns. Após o temperamento e o revenimento, a sua resistência à tração atinge 900–1200 MPa. São amplamente utilizados em engrenagens, eixos, virabrequins e componentes estruturais sujeitos a cargas elevadas. No entanto, a usinabilidade do aço-liga difere drasticamente entre os estados recozido e temperado. O 4140 recozido é fácil de maquinar, enquanto que, quando temperado a 45 HRC, requer processos de maquinação de materiais duros. Por conseguinte, os desenhos devem especificar claramente o estado do material.
4. Aço para ferramentas
O aço para ferramentas é uma liga à base de ferro de elevada dureza, especificamente concebida para ferramentas de corte, conformação e estampagem. É classificado, consoante o sistema de liga e a aplicação, em sete séries. Estas incluem W (temperagem em água), O (temperagem em óleo), A (temperagem ao ar), D (alto teor de carbono e crómio), H (trabalho a quente), S (resistência a choques) e M (aço rápido). O aço para matrizes D2 contém 12% de crómio e 1,5% de molibdénio. Atinge 60–62 HRC após têmpera, apresentando excelente resistência ao desgaste. Isto torna-o a melhor escolha para matrizes de estampagem a frio e lâminas de corte. Por sua vez, o aço para matrizes de trabalho a quente H13 contém 5% de crómio, 1,5% de molibdénio e 1% de vanádio. Mantém elevada dureza e tenacidade a 600 °C. Além disso, é amplamente utilizado em matrizes de fundição sob pressão e em matrizes de forjamento a quente. Por fim, o aço rápido M2 contém tungsténio, molibdénio e vanádio, apresentando uma excelente dureza a quente. Continua a ser um material clássico para ferramentas de corte.
O aço para ferramentas é normalmente submetido a operações de desbaste e semi-acabamento no estado recozido (aproximadamente 200 HBW). Em seguida, passa por um processo de têmpera e revenimento até atingir a dureza final. Depois disso, o acabamento é concluído através de retificação, electroerosão (EDM) ou fresagem em material endurecido. O corte direto com grande margem de corte no estado de têmpera provoca um desgaste rápido da ferramenta ou mesmo lascas na aresta.
5. Ferro fundido
O ferro fundido é uma liga de ferro e carbono que contém 2,1–4,5% de carbono, estando este presente principalmente na forma de grafite. É classificado, consoante a morfologia da grafite, em quatro tipos. Em primeiro lugar, o ferro fundido cinzento (HT200/HT250) apresenta grafite em escamas, excelente amortecimento de vibrações e boa maquinabilidade, mas é frágil. Em segundo lugar, o ferro fundido dúctil (QT450/QT600) apresenta grafite esferoidal. A sua resistência e tenacidade aproximam-se das do aço, mantendo simultaneamente a facilidade de fundição e o amortecimento de vibrações. Em terceiro lugar, o ferro maleável apresenta grafite de carbono temperada e boa tenacidade. Por fim, o ferro fundido branco contém todo o carbono na forma de cementite. É extremamente duro e frágil, sendo utilizado apenas para peças sujeitas a desgaste.
O ferro fundido apresenta uma fluidez de fundição muito superior à do aço. Isto permite o fabrico de peças fundidas de grandes dimensões e formas complexas a baixo custo. O ferro fundido cinzento tem um coeficiente de amortecimento de vibrações 2 a 3 vezes superior ao do aço. É por isso que as bases de máquinas, os blocos de motor e as bases de máquinas utilizam quase universalmente ferro fundido cinzento. Além disso, o ferro dúctil substitui parte do aço forjado em virabrequins, engrenagens e corpos de válvulas automóveis, onde é necessária resistência.
6. Ferro forjado
O ferro forjado é um ferro com teor de carbono muito baixo (inferior a 0,08% C) que contém inclusões fibrosas de escória. É conhecido pela sua extrema ductilidade, forjabilidade e resistência à corrosão atmosférica. Historicamente, foi amplamente utilizado em correntes, portões, grades e estruturas de edifícios. No entanto, a indústria moderna substituiu-o, em grande parte, por aço de baixo teor de carbono. Atualmente, o ferro forjado surge principalmente na restauração de edifícios históricos, em trabalhos decorativos em ferro e no artesanato tradicional. É bastante raro na produção de precisão por CNC.
5. Funções dos principais elementos de liga
Os elementos de liga constituem a “fórmula” para ajustar as propriedades dos metais ferrosos. Compreender a função de cada elemento permite tomar decisões acertadas na seleção dos materiais.
Elemento de liga
Funções principais
Aplicações típicas
Crómio (Cr)
Melhora a resistência à corrosão (≥10,51 TP3T forma uma película passiva), a dureza, a temperabilidade e a resistência ao desgaste
Aço inoxidável, aço para ferramentas, cromagem
Níquel (Ni)
Estabiliza a austenita, melhora a tenacidade e a resistência à corrosão e reduz a temperatura de transição dúctil-frágil
Aço inoxidável 304/316, ligas resistentes a altas temperaturas
Molibdénio (Mo)
Melhora a resistência às altas temperaturas, a temperabilidade e a resistência à corrosão por pite (em sinergia com o Cr)
Aço inoxidável 316, aço-liga 4140, aço para matrizes H13
Manganês (Mn)
Melhora a resistência, a temperabilidade e a resistência ao desgaste; neutraliza os efeitos nocivos do enxofre
Quase todos os aços, aço de desgaste com elevado teor de manganês
Vanádio (V)
Aperfeiçoa a estrutura granular, forma carbonetos duros (VC) e melhora significativamente a resistência ao desgaste
Aço rápido M2, aço para ferramentas, aço para molas
Silício (Si)
Fortalecimento por solução sólida, aumenta o limite elástico, desoxidante
Aço para molas, aço ao silício para aplicações elétricas
Tungsténio (W)
Melhora a dureza a quente (retenção da dureza a altas temperaturas) e a resistência ao desgaste
Aço rápido, aço para matrizes de forjamento a quente
6. Estratégias de maquinagem CNC e métodos de fabrico
Maquinação CNC
Os metais ferrosos representam a maior categoria de materiais na maquinagem CNC. No entanto, as estratégias de maquinagem variam enormemente consoante o tipo de aço. O aço de baixo teor de carbono e o aço de fácil maquinagem (como o 12L14) permitem velocidades de corte elevadas, entre 150 e 300 m/min. Permitem também grandes taxas de avanço com uma longa vida útil da ferramenta. Por outro lado, o aço de carbono médio e o aço-liga recozido funcionam a velocidades de aproximadamente 100–200 m/min. Isto requer atenção ao acúmulo de material na aresta da ferramenta e ao controlo das limalhas. O aço inoxidável austenítico (304/316) sofre de forte endurecimento por deformação e apresenta fraca condutividade térmica. Deve ser maquinado a velocidades reduzidas de 60–120 m/min com ferramentas afiadas e arrefecimento interno de alta pressão. Por fim, o aço temperado (acima de HRC 45) requer ferramentas de CBN ou cerâmicas para fresagem de materiais duros a velocidades de 80–200 m/min. Também necessita de pequenas profundidades de corte (0,1–0,3 mm) e velocidades de avanço moderadas.
Independentemente do material, o material da ferramenta, o revestimento, a geometria, os parâmetros de corte, o método de arrefecimento e a estratégia de evacuação de cavacos têm de corresponder à classe específica. Caso contrário, os “parâmetros genéricos para aço” conduzem frequentemente à ineficiência ou à falha prematura da ferramenta.
Outros métodos de fabrico
Para além da maquinagem CNC, os métodos de fabrico de metais ferrosos incluem vários processos fundamentais. Em primeiro lugar, a fundição (ferro fundido e aço fundido) é adequada para formas complexas e peças de grandes dimensões. Em segundo lugar, a forja melhora a densidade do metal e as propriedades mecânicas, sendo adequada para eixos, engrenagens e outras peças sujeitas a cargas. Em terceiro lugar, a soldadura funciona melhor com aço de baixo teor de carbono. Os aços de alto teor de carbono e de alta liga requerem pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldadura. Em quarto lugar, a estampagem e a dobragem são mais adequadas para chapas de aço de baixo teor de carbono. O aumento do teor de carbono reduz a formabilidade. Em quinto lugar, o retificado é utilizado para o acabamento após o tratamento térmico e para superfícies de alta precisão. Por fim, o tratamento de superfícies inclui galvanização, oxidação negra, passivação, carburação, nitretação e cromagem dura.
Uma observação importante: a soldadura e o tratamento térmico causam distorção térmica. Por isso, para montagens de precisão com requisitos rigorosos de posicionamento e planicidade, o acabamento final deve sempre ser realizado após a soldadura e o tratamento térmico. Além disso, a espessura do revestimento resultante dos tratamentos de superfície também afeta o ajuste da rosca e as tolerâncias dos orifícios. Por exemplo, a galvanização acrescenta 5–25 µm, enquanto o cromagem dura acrescenta 10–100 µm. Os fabricantes devem ter isto em conta durante o planeamento do desenho.
7. Áreas de aplicação típicas
Indústria automóvel: Aços de carbono médio e ligados para virabrequins, bielas, engrenagens e eixos; aço inoxidável para sistemas de escape e componentes hidráulicos; ferro dúctil para virabrequins e caixas de engrenagens.
Equipamento industrial: Ferro fundido cinzento para bases e bancadas de máquinas (excelente amortecimento de vibrações); aço-liga para engrenagens, eixos e componentes hidráulicos; aço para ferramentas para matrizes e punções.
Setor médico: Aço inoxidável 304/316 e 17-4PH para instrumentos cirúrgicos, implantes, componentes de dispositivos e acessórios que exijam resistência à corrosão, esterilizabilidade e estabilidade dimensional.
Aeroespacial: Aço de alta resistência e aço inoxidável para componentes do trem de aterragem, elementos de fixação, eixos, rolamentos, atuadores e peças relacionadas com o motor. Embora o aço seja mais denso do que o alumínio ou o titânio, continua a ser insubstituível em peças sujeitas a requisitos extremos em termos de resistência à carga e ao desgaste.
Automação e robótica: Aço temperado para superfícies de apoio, guias, engrenagens e mecanismos de contacto repetido. A elevada rigidez e resistência ao desgaste do aço proporcionam um valor significativo nestas aplicações.
Construção e infraestruturas: Aço estrutural (Q235, Q345) para vigas, pilares e pontes; vergalhões para reforço de betão; aço galvanizado para estruturas exteriores resistentes à corrosão.
Energia e equipamento pesado: Aço-liga e aço inoxidável para válvulas, bombas, turbinas e recipientes sob pressão. Em ambientes de alta temperatura, alta pressão e corrosivos, as vantagens do aço-liga em termos de desempenho são particularmente evidentes.
8. Vantagens e limitações
Vantagens
Limitações
Elevada resistência e rigidez, excelente capacidade de suporte de carga
Alta densidade (7,0–8,0 g/cm³), inadequada para aplicações que exijam extrema leveza
Submetível a tratamento térmico, com ampla gama de ajuste de desempenho
O aço ao carbono e o ferro fundido enferrujam facilmente, pelo que requerem proteção da superfície
Excelente resistência ao desgaste, vasta seleção de qualidades
A elevada dureza e o elevado teor de liga aumentam a dificuldade de maquinagem e o custo das ferramentas
Magnético (na maioria das classes), adequado para aplicações eletromagnéticas
Certos aços inoxidáveis sofrem um endurecimento por deformação acentuado, o que prejudica a usinabilidade
Altamente reciclável; as suas propriedades magnéticas facilitam a triagem
Os aços de alto teor de carbono e altamente ligados apresentam fraca soldabilidade, exigindo pré-aquecimento e pós-tratamento
Cadeia de abastecimento madura e com custos controláveis
Os aços inoxidáveis e os aços para ferramentas têm custos de material mais elevados
Gama completa de processos de fundição, forjamento, soldadura e usinagem
O tratamento térmico provoca deformações e exige uma sequência cuidadosa dos processos
É importante salientar que o material mais resistente não é necessariamente a melhor escolha. O custo da peça acabada, a dificuldade de fabrico, a resistência à corrosão e o ambiente de funcionamento devem ser avaliados de forma abrangente. Por exemplo, um suporte que apenas precise de suportar cargas moderadas, se especificado como aço-liga 4340 com têmpera e revenimento, não só aumenta os custos do material e da maquinagem, como também pode elevar os custos de montagem devido à fraca soldabilidade. Neste caso, o aço de baixo carbono 1018 é provavelmente a escolha mais racional.
9. Guia de seleção de materiais
A seleção do metal ferroso adequado para a maquinagem CNC requer uma avaliação sistemática em função das seguintes cinco dimensões. Não se deve limitar a escolher simplesmente o material “mais resistente” ou “mais barato”.
Primeiro, a resistência e a carga: Escolha os materiais com base nos requisitos reais de resistência à tração, limite de escoamento, resistência à fadiga e tenacidade ao impacto. Para os suportes e tampas, basta utilizar aço de baixo teor de carbono; para os eixos e engrenagens, utilize aço de teor médio de carbono ou aço-liga; para os componentes sujeitos a cargas pesadas, utilize ligas de alta resistência, como a 4340.
Resistência à corrosão: em segundo lugar: Ambientes húmidos, com presença de produtos químicos ou expostos a névoa salina exigem a utilização de aço inoxidável (304 para uso geral, 316 para resistência ao cloreto). Em contrapartida, em ambientes interiores secos, o aço ao carbono com galvanização ou pintura continua a ser uma opção mais económica e viável.
Terceiro: usinabilidade: As peças com cavidades profundas, muitos orifícios, contornos complexos ou elevados volumes de remoção de material devem dar prioridade a uma boa usinabilidade (como o aço de fácil usinagem 12L14 ou o aço 4140 recozido). Os materiais mais resistentes, mas menos usináveis, podem ser tecnicamente viáveis, mas aumentam significativamente os custos de usinagem.
Resistência ao calor e ao desgaste – quarto lugar: As condições de alta temperatura, atrito e desgaste são adequadas para o uso de aço-liga, aço para ferramentas ou um tipo adequado de aço inoxidável. O desempenho da superfície pode ser ainda mais melhorado através de carbonização, têmpera e revenimento, nitretação ou endurecimento por indução.
Custo e volume de produção: quinto lugar: Avaliar de forma abrangente o custo dos materiais, o tempo de maquinagem, o desgaste das ferramentas, o tratamento térmico, o retificado, o revestimento, a inspeção e a taxa de rejeição. Os protótipos e os pequenos lotes são mais flexíveis com a maquinagem CNC a partir de barras; a produção em série pode recorrer a peças forjadas, fundidas ou semiacabadas para reduzir a margem de maquinagem.
10. Reciclagem
Os metais ferrosos estão entre os materiais de engenharia mais recicláveis. O aço e o ferro podem ser repetidamente reciclados, refundidos e reutilizados. As suas propriedades magnéticas facilitam a sua separação dos resíduos mistos através da triagem magnética. O fluxo de reciclagem inclui várias etapas. Em primeiro lugar, a recolha e triagem dos resíduos. Em seguida, a separação magnética dos materiais à base de ferro. A seguir, a trituração ou o corte. Depois disso, a remoção de contaminantes (revestimentos, óleo, metais não ferrosos). Posteriormente, a fusão e o refino com ajuste da composição. Por fim, a fundição em novos lingotes de aço ou ferro, seguida de laminação, forja ou transformação posterior.
As limalhas de aço e ferro geradas pela maquinagem CNC são também importantes recursos recicláveis. O armazenamento separado de limalhas de diferentes ligas aumenta significativamente o valor da sucata e reduz a contaminação da composição. Para os fabricantes, a gestão organizada dos resíduos não só melhora as receitas da reciclagem, como também aumenta a limpeza das instalações e a rastreabilidade dos materiais.
11. Capacidades de maquinagem de metais ferrosos da PartsMastery
A PartsMastery oferece serviços de maquinagem CNC de precisão que abrangem toda a gama de metais ferrosos. Está equipada com centros de maquinagem de 3, 4 e 5 eixos, tornos CNC, retificadoras e equipamento de electroerosão (EDM). Os materiais usináveis incluem aço de baixo carbono (1018, Q235), aço de carbono médio (1045, 40Cr), aço de alto carbono (1095), aço-liga (4140, 4340, 42CrMo), aço inoxidável (304, 316, 316L, 17-4PH, 2205), aço para ferramentas (D2, H13, S7, M2, O1), ferro fundido (HT200, HT250, QT450, QT600) e aço rápido.
A precisão da maquinação secundária pode ser controlada dentro de ±0,005 mm. A rugosidade da superfície pode atingir Ra 0,4 µm (fresagem de acabamento) ou Ra 0,1 µm (retificação). Os processos de pós-tratamento suportados incluem têmpera e revenimento, carbonização, nitretação, endurecimento por indução, galvanização, oxidação negra, passivação, cromagem dura, revestimento a pó e anodização. Todas as peças são submetidas a uma inspeção dimensional completa por CMM antes do envio. São fornecidos certificados de materiais, relatórios de tratamento térmico e relatórios de inspeção. Desde protótipos únicos até à produção em série, a PartsMastery personaliza planos de maquinagem ótimos com base nas características dos materiais.
12. Resumo
Os metais ferrosos constituem uma família de materiais de engenharia à base de ferro que inclui seis categorias principais: aço ao carbono, aço inoxidável, aço-liga, aço para ferramentas, ferro fundido e ferro forjado. As suas principais vantagens são a elevada resistência, a excelente resistência ao desgaste, a capacidade de tratamento térmico, a vasta seleção de classes e a facilidade de controlo dos custos. Por outro lado, as suas principais limitações são a densidade relativamente elevada, a tendência do aço ao carbono para a corrosão e a dificuldade de maquinagem dos materiais de elevada dureza. O teor de carbono serve como principal critério de classificação. Os elementos de liga são a fórmula-chave para ajustar o desempenho.
Na engenharia prática, a seleção de materiais deve avaliar de forma abrangente cinco dimensões: carga, ambiente, maquinabilidade, resistência ao calor e ao desgaste e custo total. Não se deve procurar extremos numa única propriedade. As estratégias de maquinagem CNC têm de corresponder à classe específica, à condição de dureza e ao estado de tratamento térmico. Os “parâmetros genéricos do aço” conduzem frequentemente à ineficiência ou à falha prematura das ferramentas. Ao combinar adequadamente materiais, ferramentas, parâmetros e processos, os fabricantes podem garantir o desempenho das peças, controlando simultaneamente de forma eficaz os custos de maquinagem e os prazos de entrega.
Perguntas frequentes
Quais são os metais ferrosos?
Os metais ferrosos são metais e ligas em que o ferro é o constituinte principal. Incluem o aço ao carbono, o aço inoxidável, o aço-liga, o aço para ferramentas, o ferro fundido e o ferro forjado. O aço ao carbono pode conter até cerca de 2,1% de carbono. O ferro fundido excede normalmente os 2%. O aço inoxidável contém, pelo menos, cerca de 10,5% de crómio para garantir resistência à corrosão. As suas propriedades variam consideravelmente. No entanto, a elevada resistência, durabilidade, resistência ao desgaste e reciclabilidade tornam-nos os materiais de engenharia mais importantes.
Quais são os dez metais ferrosos mais comuns?
Os dez metais ferrosos ou aços para engenharia mais comuns incluem várias classes bem conhecidas. Trata-se do aço de baixo teor de carbono (1018), do aço de teor médio de carbono (1045), aço-liga 4140, aço-liga 4340, aço inoxidável 304, aço inoxidável 316, aço inoxidável de endurecimento por precipitação 17-4PH, aço para ferramentas D2, ferro fundido cinzento (HT200) e ferro fundido dúctil (QT600). As suas propriedades diferem significativamente. O 1018 é económico e de fácil usinagem. O 4140 oferece maior resistência e melhor resposta ao tratamento térmico. O 316 proporciona uma resistência superior à corrosão. O ferro fundido combina um excelente amortecimento de vibrações com resistência ao desgaste.
O ouro é um metal ferroso?
Não. O ouro é um metal precioso não ferroso, uma vez que o ferro não é o seu constituinte principal. O ouro puro tem uma densidade de aproximadamente 19,3 g/cm³. O seu valor reside na resistência à corrosão, nas boas propriedades elétricas, na ductilidade e na estabilidade química. Estas características diferem da elevada resistência estrutural característica de muitas ligas de ferro. Ao contrário do aço ao carbono, o ouro não forma óxido de ferro (ferrugem). Por isso, não pertence aos metais de engenharia à base de ferro.
Qual é o metal ferroso mais resistente?
Não existe um único metal ferroso que seja absolutamente o mais resistente. A razão é que o termo “resistência” pode referir-se à resistência à tração, ao limite de escoamento, à resistência à compressão, à resistência à fadiga ou à resistência ao impacto. As ligas de aço submetidas a tratamentos térmicos avançados podem ultrapassar os 1500 MPa de resistência à tração. Os aços de ultra-alta resistência, especialmente desenvolvidos, atingem valores ainda mais elevados. Na conceção prática de usinagem CNC, classes como 4140 e 4340 são comumente utilizadas para peças de alta resistência. No entanto, a dureza, a tenacidade, a resposta ao tratamento térmico, o comportamento à fadiga, a usinabilidade e os fatores de segurança devem ser considerados em simultâneo.
O cobre e o alumínio são metais ferrosos?
Nenhum dos dois é ferroso. Tanto o cobre como o alumínio são metais não ferrosos, uma vez que o ferro não é o seu constituinte principal. O cobre puro tem uma densidade de aproximadamente 8,96 g/cm³. O cobre de alta condutividade aproxima-se dos 100% IACS. Isto torna-o mais adequado do que o aço comum para aplicações elétricas e térmicas. O alumínio puro tem uma densidade de aproximadamente 2,70 g/cm³. Isso corresponde a cerca de um terço da densidade do aço comum (aproximadamente 7,8 g/cm³). Por isso, é amplamente utilizado em peças leves, estruturas aeroespaciais, caixas de proteção e dissipadores de calor. Quando a rigidez, a resistência ao desgaste ou a capacidade de suporte de carga são mais importantes do que a redução de peso, os aços ferrosos são geralmente preferidos.
