Metalurgia é a ciência que estuda e gerencia os metais desde sua extração do subsolo até sua transformação em produtos adequados ao uso.
Metalurgia designa um conjunto de procedimentos e técnicas para
extração,
fabricação,
fundição e tratamento dos
metais e suas
ligas.
Desde muito cedo, o homem aproveitou os metais para fabricar utensílios, materiais como o
cobre, o
chumbo, o
bronze, o
ferro, o
ouro e a
prata tiveram amplo uso na antiguidade.
Os primeiros
altos-fornos apareceram no
século XIII. A indústria metalúrgica teve novo impulso no
século XVIII com a
revolução industrial.
Com o domínio do
fogo, surgia a possibilidade da metalurgia. Com exceção do
ouro e, eventualmente, da
prata, do
cobre, da
platina e do
mercúrio, todos os metais praticamente existem na natureza apenas na forma de
minérios, isto é, combinados com outros
elementos químicos e na forma oxidada, e para extraí-lo e "purificá-lo" (isso significa separar o metal da sua combinação inicial e transformar este em
substância simples, ou seja, reduzir seu nox a zero) podemos ter como auxílio o processo de oxi-redução (eletrólise industrial).
A palavra "metal" vem do
grego e significa "procurar, sondar". O ouro compõe 1/200 000 000 da
crosta terrestre, e é um dos metais mais raros. Mas provavelmente foi o primeiro metal a ser descoberto, exatamente por existir quase sempre em forma de
pepita, cuja
cor é um
amarelo bonito e que chama a atenção. Era extremamente pesado, podia ser usado como ornamento por ser
brilhante e podia ser moldado nas mais variadas formas, pois não era muito duro. Além disso, era permanente, uma vez que não oxidava nem deteriorava.
É provável que o ser
humano tenha iniciado seu trabalho com o ouro há mais de dez mil
anos. O ouro e, até certo ponto, a prata e o cobre eram valiosos devido à sua beleza e raridade e tornaram-se um meio de troca e uma ótima maneira de se armazenar
riquezas. Por volta de
640 a.C., os
lídios da
Ásia Menor inventaram as
moedas, pedaços de liga de ouro e prata com peso determinado, cunhados com um
brasão do
governo para garantir sua autenticidade.
Provavelmente, a primeira produção de metal foi obtida acidentalmente, ao se colocar certos minérios de
estanho ou de
chumbo numa
fogueira. O
calor de uma fogueira (cerca de
200 °C) e o
carvão são suficientes para derreter e purificar estes minérios, produzindo um pouco de metal. Depois, o estanho e chumbo também podem ser derretidos e moldados numa fogueira comum.
As primeiras contas de chumbo conhecidas atualmente foram encontradas em
Çatalhüyük, na
Anatólia (atual
Turquia), tendo sido datadas de 6500 a.C. Não está claro sobre quando os primeiros artefatos de estanho foram moldados, pois este é um metal muito mais raro que o chumbo. Os primeiros moldes de estanho poderiam ter sido também reutilizados mais tarde em misturas com outros metais e, assim, terem-se perdido seus registros.
Embora o chumbo seja um metal relativamente comum, é muito macio para ter grande utilidade, de modo que o início da metalurgia do chumbo não teve impacto significativo no mundo antigo. Para servir como
ferramenta, outro metal mais duro era necessário e, assim, surgiu o uso do cobre.
A primeira evidência referente à metalurgia humana data do quinto e sexto
milênio antes da Era Cristã e foi encontrada nos
sítios arqueológicos de
Majdanpek,
Yarmovac e
Plocnik, na
Sérvia. Estes exemplos incluem um machado de cobre de 5.500 a.C., que pertencia à cultura
Vincha.
[1] Outros sinais de metalurgia humana são encontrados a partir do terceiro milênio a.C. em lugares como
Palmela (Portugal),
Cortes de Navarra (Espanha), e
Stonehenge (Reino Unido). No entanto, como muitas vezes acontece com estudos pré-históricos, os marcos iniciais não podem ser claramente definidos e novas descobertas são contínuas e permanentes.
Como a maioria de metais, o
ferro não é encontrado na
crosta terrestre em seu estado elementar, e sim combinado com o
oxigênio ou com o
enxofre. Seus minérios mais comuns são a
hematita (Fe2O3) e a
pirita (FeS2). O ferro funde à temperatura de
1370°C e, em estado puro, é um metal relativamente macio.
Encontra maior utilidade em
ferramentas na forma de
aço, uma liga de ferro com
carbono variando entre 0,02 e 1,7%. Quando fundido na presença de carbono, o ferro dissolve, ao contrário do
cobre, consideráveis quantidades de carbono, às vezes chegando a 6%. Tal quantidade de carbono no ferro torna-o quebradiço, e tais ligas não podem mais ser chamadas de aço.
A extração de ferro de seus
minérios ocorre com a ligação das
impurezas (oxigênio ou enxofre) com o carbono. Como a própria taxa de
oxidação aumenta rapidamente além do
800°C, é importante que a
fundição ocorra em um ambiente com pouco oxigênio.
Um aglomerado de cristais de pirita, 12 cm.
O
artefato de ferro mais antigo do mundo é um instrumento de quatro lados datado de aproximadamente 5000 a.C. Foi encontrado numa
sepultura de
Samarra,
norte do
Iraque. Apenas outros treze objetos de ferro são mais antigos que 3000 a.C., todos encontrados em três sítios do
Oriente Médio: três
esferas pequenas foram encontradas no nível de habitações em Tepe Sialk, norte do
Irã, datado de 4600-4100 a.C., nove contas foram encontradas nas sepulturas do Gerzeh (cemitéio do
período pré-dinástico),
Egito, datado de 3500-3100 a.C. e um
anel aproximadamente desta mesma idade foi encontrado numa sepultura de Armant, também no Egito.
A
produção deste do ferro poderia, entretanto, ter-se iniciado antes destas
datas, uma vez que a má conservação das peças de ferro supõe que outras mais antigas, que poderiam ter existido, não teriam chegado ao nosso tempo. Com o tempo, o ferro se transforma em
ferrugem e acaba se desfazendo em
pó.
Entre 3000 a.C. e 2000 a.C. crescente números de objetos de ferro forjado (distinto do ferro meteórico pela falta de
níquel) surge na
Ásia Menor, Egito e
Mesopotâmia.
Na Ásia Menor, ocasionalmente usava-se ferro forjado para
armas ornamentais: um
punhal com lâmina de ferro e cabo de
bronze foi recuperado de um túmulo hático de 2500 a.C. O
rei egípcio
Tutankhamon, que morreu em 1323 a.C., foi enterrado com um punhal de ferro com cabo de
ouro. Em Ugarit, antiga
cidade na atual
Síria, recuperou-se uma antiga
espada egípcia com o nome do faraó
Merneptah (que reinou de 1213 a.C. a 1203 a.C.), assim como um
machado de
batalha com lâmina de ferro e cabo de bronze decorado de ouro. Sabe-se que os antigos
hititas trocaram ferro por
prata (o ferro valia 40 vezes mais que a prata) com a
Assíria.
Mas o ferro não substituiu o bronze como principal metal usado para armas e ferramentas, apesar de algumas tentativas. A metalurgia do ferro exigia mais
combustível e trabalho que a metalurgia do bronze, e a qualidade do ferro produzida pelos primeiros ferreiro pode ter sido inferior ao do bronze como material para ferramentas. Porém, entre 1200 e
1000 a.C., ferramentas e armas de ferro substituíram as de bronze em todo Oriente Médio. Este processo parece ter começado no
império Hitita em torno de
1300 a.C., ou talvez no
Chipre e
sul da
Grécia, onde artefatos de ferro dominam o registro arqueológico após 1050 a.C. Por volta de
900 a.C., a Mesopotâmia estava totalmente na
Idade do Ferro, e a
Europa Central por volta de
800 a.C. A razão para esta adoção repentina do ferro permanece um tópico do debate entre arqueólogos. Uma teoria proeminente é que as
guerras e as maciças migrações que se iniciaram ao redor
1200 a.C. teriam interrompido o
comércio regional de
estanho, forçando a mudança do bronze para o ferro. O Egito, entretanto, não experimentou uma transição tão rápida do bronze ao ferro: embora os metalúrgicos egípcios produzissem artefatos de ferro, o bronze continuou difundido até após sua conquista pela Assíria, em 663 a.C.
[editar] Produção de Ferro na Antiguidade
Para todos nós, a ideia da metalurgia do ferro está associada à imagem das grandes usinas
siderúrgicas modernas, nas quais o gigantismo parece ser um atributo indispensável. No entanto, o
ferro e mesmo o
aço se fabricam desde remota antigüidade, devendo portanto existir, necessariamente, meios mais fáceis para sua obtenção.
De fato, é muito fácil obter-se ferro metálico, especialmente a partir de um mineral chamado
limonita. De
700°C em diante, o minério já começa a derreter. Os primeiros
fornos para produção de ferro eram de
barro, com uma abertura na parte superior para a
fumaça sair e outra na parte inferior, para o ar entrar; enche-se o forno com camadas alternadas de
lenha e minério de ferro. Se a
combustão ocorrer a contento, você tem a
probabilidade de obter uma certa quantidade de ferro. Esse ferro também é chamado de
lupa, não chega a fundir-se completamente e se apresenta sob a forma de umas bolas, com porções de
minério aderidas, que são separadas depois, aquecendo o material novamente ao rubro e forjando-as com o malho. Os pedaços de minério que ainda se encontram relativamente puros são quebradiços e se desprendem enquanto a massa de ferro metálico, que é maleável se torna, pela forjadura, compacta e coerente.
O ferro forjado pode ser carburado. A
carburação serve para transformar o ferro, que é macio, num
aço mais duro. A carburação é feita mantendo-se o ferro forjado em brasas de carvão por algum tempo. No início da
Idade do Ferro, os ferreiros já tinham descoberto que o ferro repetidamente reforjado e carburado produzia um metal de melhor qualidade. A têmpera por resfriamento do aço também já era conhecida naquela época. O aço
temperado mais antigo é uma
faca de aço encontrada no
Chipre e datada de
1000 a.C.
O ferro produzido a partir do minério, porém, às vezes era satisfatoriamente duro e resistente. Isso não ocorria sempre, mas com
frequência suficiente para que os
metalúrgicos labutassem na refinação do ferro. Acabou-se descobrindo que a adição do
carvão vegetal ao ferro em quantidade adequada o endurecia. Produzia o que hoje chamamos de “superfície de aço”.
Em
900 a.C., os siderúrgicos aprenderam a fazer isso propositadamente, e a Idade do Ferro começou. Repentinamente, a escassez do
cobre e do
estanho não tinha mais importância.
Este é um exemplo de como os homens têm lidado com o esgotamento de recursos no curso da
história. Em primeiro lugar, intensificaram a busca de novas provisões e, em segundo, encontraram substitutos. Esse foi o método de obtenção de ferro na antigüidade e, possivelmente, também na
pré-história.
[editar] Produção de Ferro na Idade Média
Na
Alta Idade Média, o processo siderúrgico corrente era o da forja catalã, que consiste num pequeno
forno dentro do qual se coloca o
minério junto com
carvão de
madeira, insuflando-se ar por meio de um fole, movido a braço ou mediante força
animal. O êxito melhor que no processo da anterior, com fornos de lupa, pois o ar é soprado para dentro do forno e a
combustão alcança maiores
temperaturas. Mas também na forja catalã o ferro não chega a derreter completamente.
Durante todos esses
milênios e até passado relativamente recente, a
siderurgia foi, por excelência, uma atividade
florestal. Praticava-se nas florestas, em um número de pequenos estabelecimentos, condicionados pela fácil obtenção de
combustível (madeira). Tais estabelecimentos tinham caráter itinerante, pois acompanhavam a retração da floresta, à medida que esta ia sendo destruída. Também no
Brasil, notadamente em
Minas Gerais, a siderurgia propiciou em forjas semelhantes, que tiveram grande parte da responsabilidade no
desflorestamento daquela região
Através da
história, desde a descoberta da metalurgia, a utilização do
metal tem aumentado, e de forma acelerada. Descobriram-se novos métodos de fabricação do aço no
século XIX, e os metais desconhecidos aos antigos, como o
cobalto, o
níquel, o
vanádio, o
nióbio e o
tungstênio, foram utilizados em combinação com o aço, formando ligas de metal de dureza e propriedades inusitadas. Desenvolveram-se métodos de obtenção do
alumínio, do
magnésio e do
titânio, metais que têm sido usados para construções em grande escala.
[editar] Metalurgia do Ferro na Índia
Coluna de ferro na Índia.
Talvez já em
300 a.C., e certamente por volta de
200 a.C., aço da alta qualidade estivesse sendo produzido no sul da
Índia(Ceilão não é Índia) através de uma técnica que, mais tarde, seria chamada “aço de crisol” pelos europeus. Nesta técnica,
ferro de alta pureza,
carvão e eram misturados em um crisol e aquecidos até que o ferro derretesse e absorvesse o
carbono. Uma das evidência mais antigas de metalurgia do ferro foi encontrada na área de Samanalawewa, em
Sri Lanca, onde milhares de
sítios foram encontrados (Juleff,
1996).
De modo surpreendente e intrigando os
cientistas, encontra-se em
Nova Deli, Índia, a enorme coluna de ferro de Qtar Al-Minar, fabricada por
hindus há 2,5 mil anos e que pouco enferrujou. A técnica empregada para a obtenção de ferro com tal resistência à corrosão ainda é matéria de debate.
[editar] Metalurgia do Ferro na China
Arqueólogos e
historiadores debatem se a metalurgia do ferro baseada nos fornos de lupa jamais difundiu-se do
Oriente Médio à
China. Ao redor
500 a.C., entretanto, metalúrgicos no estado de
Wu,
leste da China, desenvolveram uma
tecnologia de fundição do ferro que não seria praticada na
Europa até épocas medievais tardias. Em Wu, os fornos de ferro chegavam a temperaturas de 1130
°C, quente o bastante para serem considerados altos-fornos. A esta temperatura, o ferro combina-se com 4.3% de carbono e derrete. Como um
líquido, o ferro pode ser posto em moldes, um método muito mais trabalhosos que o forjamento individual cada peça de ferro a partir de uma lupa.
Moldes de ferro são frágeis e impróprios para
ferramentas de choque. Pode, entretanto, ser decarborizado a
aço ou
ferro forjado aquecendo-se por vários dias. Na China, estes métodos de fundição de ferro difundiram-se para o
sul e
norte, e, por
300 a.C., o ferro eram o material preferido em toda China para a maioria das ferramentas e
armas. Uma cova coletiva encontrada na província de
Hebei(nordeste da China), datada do terceiro século antes de
Cristo, contém diversos
soldados enterrados com suas armas e outros equipamentos. Os artefatos recuperados desta
cova são feitos de vários tipos de ferro forjado e moldado, de
aço temperado, com apenas alguma armas, provavelmente ornamentais, de
bronze.
Durante a
dinastia Han (202 a.C.-220 a.C.), a metalurgia chinesa de ferro chegou a uma escala e uma sofisticação não alcançadas no
Ocidente até o
século XVIII. No primeiro século, o governo Han estabeleceu a metalurgia do ferro como
monopólio estatal e construiu uma série de grandes
alto-fornos na província de
Henan, cada um capaz de produzir diversas
toneladas do ferro por
dia. Por esta época, os metalúrgicos chineses descobriram como produzir ferro forjado a partir de
ferro-gusa, movimentando-o derretido em contato com o
ar até perder a maior parte de seu
carbono.
Durante a mesma época, os
metalúrgicos chineses descobriram que ferro forjado e ferro fundido poderiam ser derretidos e misturados, resultando numa liga com conteúdo intermediário de carbono, isto é, o aço. De acordo com a
lenda, a
espada de Liu Bang, o primeiro
imperador do período Han, fora feita desta forma. Alguns textos da era mencionam “harmonizar o duro e o macio”, no contexto da metalurgia do ferro.
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