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AULA 9 MATERIAIS NÃO FERROSOS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

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AULA 9 - MATERIAIS NÃO FERROSOS
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Complementando os seus estudos de ligas metálicas ferrosas, agora você vai conhecer um pouco das ligas não ferrosas, compostas pelos metais Alumínio e Cobre, que são largamente utilizadas em quase todos os seguimentos industriais. 
Esse conhecimento vem ampliar a capacidade do engenheiro de especificar materiais para uma determinada situação de serviço levando não só em consideração as ligas ferrosas, mas também as ligas de Cobre e Alumínio.
Alumínio
O alumínio é um metal leve (2,7 kgf/dm³), macio, porém resistente, de aspecto cinza prateado e fosco, não é tóxico (como metal),  não cria faíscas quando exposto a atrito.
e, quando exposto à temperatura ambiente, é um sólido. 
É um metal muito maleável e muito dúctil, tornando-se apto para a mecanização e para a fundição, além de ter uma excelente resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido.
Com excelente laminação, o alumínio é um metal considerado comercialmente puro com teores de 99,0%, apresentando baixa dureza e uma boa fusibilidade. 
É um material pouco tenaz que encrua-se sob trabalhos mecânicos a quente.
O alumínio é o elemento metálico mais abundante da crosta terrestre.
Devido à elevada afinidade para o oxigênio, não é costume encontrá-lo como substância elementar, mas, sim, em formas combinadas tal como o óxido.
Sua leveza, condutividade elétrica, resistência à corrosão lhe conferem uma multiplicidade de aplicações, especialmente na aeronáutica. Entretanto, a elevada quantidade de energia necessária para a sua obtenção reduzem, sobremaneira, o seu campo de aplicação.
No entanto, o baixo custo para a sua reciclagem aumenta o seu tempo de vida útil e a estabilidade do seu valor.
Obtenção:
A maior parte do alumínio produzido atualmente é extraído da bauxita (O nome bauxita refere-se a um minério ou a uma mistura de minerais ricos em óxidos de alumínio hidratados, formados pela erosão de rochas ricas neste elemento, como a nefelina, feldspato, serpentina, argila, etc.)
 Durante a erosão, os silicatos são decompostos e os produtos de decomposição são filtrados, deixando um resíduo rico em alumina, óxido de ferro e óxido de titânio. Nas regiões tropicais e subtropicais, onde o desgaste das rochas é mais intenso, existe a maior parte dos grandes depósitos de bauxita, sobretudo perto da superfície.
Hoje, os Estados Unidos e o Canadá são os maiores produtores mundiais de alumínio.
O Brasil tem a terceira maior reserva do minério no mundo, localizada na região amazônica. Em relação à qualidade, as bauxitas brasileiras  são  do tipo trihidratado, o  que  permite a produção
Ligas
Excelente maquinabilidade.
• Grande resistência à Corrosão.
• Excelente condutibilidade Térmica e Elétrica.
• Resistência Mecânica variando de 9 a 70kgf/mm2.
• Algumas ligas são mais resistentes que o aço, o que favorece ao projetista na análise da relação   
• Peso-Resistência.
• Obtidas por fusão em fornos especiais.
Apresentam elevada resistência mecânica, ótima condutibilidade térmica e elétrica e permitem bom acabamento superficial, aceitando grande revestimento protetores.
Entre as de maior interesse industrial, cabe mencionar o duralumínio (de Düren), formado por 93,2 a 95,5% de alumínio, 3,5 a 5,5% de cobre, 0,5% de manganês, 0,5 a 0,8% de magnésio e, em alguns tipos, silício; as ligas de alumínio e magnésio, graças à sua elevada resistência à corrosão e soldabilidade; e as ligas de alumínio e silício, devido à sua elevada resistência mecânica e peso reduzido, assim como na fabricação de componentes elétricos.
As ligas de alumínio podem ser empregadas para:
Laminação
Forjamento
Fundição
Essas ligas são designadas por números característicos de sua composição seguidos geralmente pelas letras:
 • H para tratamentos mecânicos.
 • T que indicam o tratamento térmico.
Soldagem
O alumínio apresenta diferenças de propriedades físicas e químicas que levam a diferenças de sua soldagem em comparação com a dos aços:
Elevada:
• Afinidade pelo oxigênio.
• Condutividade térmica.
• Coeficiente de expansão térmica.
Baixo:
• Ponto de fusão (660ºC).
Na soldagem de alumínio, o uso de preaquecimento e de um maior aporte térmico é comum na soldagem de juntas de maior espessura para garantir a formação da poça de fusão e evitar problemas de falta de fusão.
Os principais problemas metalúrgicos de soldabilidade do alumínio e suas ligas são a formação de porosidade pelo H2, a formação de trincas de solidificação e a perda de resistência mecânica - para metal de base encruado ou endurecível por precipitação.
O preaquecimento na soldagem do alumínio não deve ser superior a 205ºC.
Os processos mais usados são:
Em ambos os processos, a seleção do consumível é baseada na composição química e em aspectos mecânicos e metalúrgicos.
MIG/MAG
O processo MIG/MAG é mais usado para juntas de maior espessura, apresentando velocidade de soldagem muito superior ao processo TIG.
TIG
A soldagem TIG é usada principalmente para juntas de menor espessura. 
Os gases de proteção usuais são argônio, Hélio ou misturas de ambos. 
Maiores teores de Hélio permitem uma melhor fusão do metal de base, mas causam redução da estabilidade do processo e da remoção de óxido da superfície da junta.
Outros processos usados na soldagem do alumínio são a soldagem com eletrodo revestido, o plasma, soldagem a gás e os processos de soldagem por resistência.
Cobre
O cobre é um metal de aparência avermelhada e ponto de fusão 1083°C.
É obtido da natureza em seu estado nativo (in natura) ou a partir de minérios.
Esses minérios podem ser oxidados ou sulfetados.
Obtenção:
Para a obtenção do Cobre através da cuprita, que é um mineral oxidado,é necessário reduzir o minério em forno de cuba.
ALTO FORNO é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido – gusa - a partir de pelotas, sinter, minério granulado e coque.
No topo do forno, o coque, o calcário e o material são carregados em diferentes camadas.
A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe.
Na parte inferior do forno, o ar quente é injetado através das ventaneiras.
Em frente às ventaneiras, o O2, presente no ar, reage com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de cobre presente na carga que desce em contra corrente.
A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno na forma do produto final de metal fundido e escória líquida: mistura de óxidos não reduzidos.
Esses produtos líquidos são vazados em intervalos regulares de tempo. 
Os produtos do alto forno são o gusa, a escória, gases de topo e material particulado.
Uma vez iniciada a campanha de um alto forno, ele será operado continuamente de 4 a 10 anos com paradas curtas para manutenções planejadas.
Exemplo:
Na obtenção do cobre a partir da calcosita e calcopirita, que são os minerais sulfurados, é preciso eliminar o enxofre através do processo de ustulação.
Processo de produção de um metal a partir de um minério sulfetado, através da passagem de uma corrente de ar em um ambiente muito aquecido.
Nessas condições, ocorre uma reação entre o enxofre do minério com o oxigênio do ar.
Liberando, assim, o metal ou produzindo uma forma oxidada que passa por processo posterior de redução.
A ustulação é um processo onde tipicamente um gás reage com um sólido para formar outro sólido e outro gás: A(s) +B(g) = C(s) +D(g).
A ustulação dos sulfetos é realizada normalmente em uma temperatura abaixo do ponto de fusão das duas fases sólidas envolvidas, usualmente abaixo de 900-1000ºC.
O gás empregado na reação de ustulação do cobre é o oxigênio.
Exemplo:
Como exemplo, apresentamos abaixo o processo da produção do cobrea partir do minério calcopirita (CuFeS2) :
4 CuFeS2(s) + 9O2(g) → 2Cu2S(s) + 2Fe2O3(s) + 6SO2(g)²
As propriedades que requerem uma atenção especial na soldagem do cobre são:
1 - Elevada condutividade térmica
2 - Elevado coeficiente de expansão térmica
3 - Tendência a se tornar frágil a altas temperaturas
4 - Ponto de fusão baixo
5 - Baixa viscosidade do metal fundido
6 - Elevada condutividade elétrica
7 - Resistência mecânica baseada no encruamento
Nobres
É a denominação que se aplica às ligas de cobre com baixo teor de liga, ou seja, aquelas nas quais os teores de todos os elementos de liga somados não ultrapassam 2%. 
A função desses elementos, como o cádmio e o cromo, é aumentar a resistência mecânica do cobre sem reduzir muito sua condutividade elétrica. Em alguns casos, são necessários tratamentos térmicos para aumentar a resistência mecânica dos cobres ligados.
Cobre – Ligas
As ligas de cobre podem ser divididos em três grupos: 
Cobres ligados de alta condutividade elétrica
Cobres ligados de alta resistência mecânica
Cobres ligados de alta resistência usinabilidade
Cobres ligados de alta condutividade elétrica:
Cobre Prata Tenaz: O cobre prata tenaz contém de 0,02 a 0,12% de prata que pode ser adicionada intencionalmente ou estar naturalmente contida na matéria-prima e possui uma estrutura homogênea já que, para esses teores, a prata permanece totalmente solubilizada no cobre. Esse cobre ligado possui resistência mecânica e à fluência - em temperaturas relativamente elevadas - mais altas do que a maioria dos cobres de alta condutividade (90 a 100% IACS).
A adição de prata não afeta a condutividade elétrica. Na construção elétrica, além de boa condutividade, exige-se alta resistência ao amolecimento pelo aquecimento e, também, a manutenção em altas temperaturas da resistência mecânica obtida pelo encruamento, pois essas temperaturas elevadas podem ser atingidas tanto devido às condições de funcionamento da peça como devido à aplicação de processos de soldagem. Em decorrência dessas características, esse cobre ligado pode ser usado na construção mecânica, especificamente na fabricação de aletas de radiadores de automóveis e outros trocadores de calor.
Cobre Prata Isento de Oxigênio: Cobre prata isento de oxigênio possui características muito semelhantes às do cobre prata tenaz, com a diferença de que pode ser aquecido em ambientes com atmosferas redutoras sem sofrer fragilização pelo hidrogênio. Esse tipo de cobre ligado é produzido por um processo de fusão específico que elimina a possibilidade da presença de óxidos e desoxidantes.
Cobres ligados de alta resistência mecânica
Cobre – Arsênio: O Cobre-Arsênio contém arsênio em teores de 0,013 a 0,050% que tanto pode ser adicionado intencionalmente quanto pode estar presente como impureza proveniente da matéria-prima. A presença do arsênio não só favorece o aumento da resistência mecânica em temperaturas elevadas, como também aumenta a resistência à corrosão em determinados ambientes.
É utilizado na construção química para a fabricação de equipamentos e tubulações industriais que estão em contato com líquidos e gases relativamente pouco corrosivos e a temperaturas não muito elevadas.
Na construção mecânica, é usado em trocadores de calor, entretanto, sua baixa condutividade elétrica (35 a 45% IACS) inviabiliza seu uso na construção elétrica.
Cobre – Cromo: Cobre-Cromo (Cu-Cr), com teor de cromo por volta de 0,8%, pode ter suas propriedades mecânicas melhoradas por tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, endurecendo por precipitação. Apesar disso, sua condutividade elétrica é relativamente elevada, entre 80 e 85% IACS, possuindo resistência ao amolecimento quando sujeito a temperaturas de até 400ºC. É usado na construção elétrica em eletrodos de soldagem por resistência elétrica, chaves comutadoras e conectores.
Na construção mecânica, é usado na fabricação de moldes e em geral em aplicações nas quais se exige resistência mecânica e condutividade elétrica. O tratamento térmico de solubilização e envelhecimento pode ainda ser combinado com deformação plástica (encruamento): são os chamados tratamentos termomecânicos que permitem a obtenção de dureza e resistência mecânica ainda mais elevadas do que as obtidas com o tratamento térmico tradicional sem deformação. 
No cobre-cromo semimanufaturado aquecido por 15 minutos a 1000ºC e resfriado em água, assim solubilizado, pode se aplicar à deformação plástica a frio (encruamento). Posteriormente, realiza-se o envelhecimento mediante aquecimento entre 400 e 500ºC por tempos que dependem da temperatura (para 470ºC, por exemplo, o tempo ideal é de cerca de 4 horas) de tal modo que o cromo se precipita em pequenas partículas finamente dispersas pela matriz de cobre.
Cobre – Zircônio: O Cobre–Zircônio (Cu-Zr) contém de 0,1 a 0,25% de zircônio, sendo isento de oxigênio e, portanto, não suscetível à fragilização pelo hidrogênio. Este cobre ligado possui propriedades semelhantes às do Cu-Cr, porém níveis de resistência mecânica mais elevados, particularmente no que diz respeito à resistência ao amolecimento e à fluência. O limite de solubilidade do zircônio no cobre chega a 0,24%, sendo possível a aplicação do tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, que proporciona o chamado endurecimento por precipitação.
A solubilização é realizada em temperaturas da ordem de 900 a 980ºC e, após resfriamento rápido, o envelhecimento é realizado em temperaturas de 400 a 450ºC, em tempos de 1 a 2 horas, sendo que, entre a solubilização e o envelhecimento, pode ser realizada a deformação a frio em níveis de até 90% de redução em área ou em espessura. 
O tratamento térmico aumenta a condutividade elétrica do Cu-As que, neste caso, pode atingir 90% IACS. Na construção elétrica, este tipo de cobre ligado é usado na fabricação de lamelas de comutadores sujeitas a solicitações severas, enrolamentos de motores elétricos severamente solicitados, bases de diodos, chaves comutadoras e eletrodos para soldagem elétrica.
Cobres ligados de alta resistência usinabilidade
Cobre – Telúrio: O cobre-telúrio, assim como o cobre-enxofre e o cobre-selênio (Cu-Se), combinam alta condutividade elétrica com boa usinabilidade. O telúrio, assim como o enxofre e o selênio, forma com o cobre compostos estáveis que ficam distribuídos na matriz de cobre como partículas finamente dispersas. A presença destas partículas não provoca aumento acentuado de dureza e nem a diminuição sensível da condutividade elétrica, porém facilita muito a usinagem do cobre, na medida em que as partículas dispersas de telureto de cobre (Cu2Te) na matriz de cobre favorecem a quebra do cavaco durante o corte do metal, reduzindo o atrito entre o cavaco e a ferramenta.
O telúrio é adicionado em teores de 0,30 a 0,80% ao cobre tenaz ou desoxidado com fósforo. O cobre-telúrio tenaz apresenta condutividade elétrica de 96 a 98% IACS, enquanto no cobre-telúrio desoxidado com fósforo a condutividade elétrica atinge entre 92 e 94% IACS. Por causa de uma limitada dissolução do telúrio no cobre, ocorre um aumento de resistência ao amolecimento em temperaturas da ordem de 250ºC no máximo.
Na construção elétrica, o Cu-Te é usado na fabricação de terminais de transformadores e de interruptores, contatos, conexões e, em geral, peças de circuitos que precisam simultaneamente de elevada condutividade elétrica e alta usinabilidade. O cobre é um metal de difícil usinagem, mas a adição de telúrio permite a fabricação de peças usinadas em tornos automáticos. Na construção mecânica, em geral, o Cu-Te pode ser usado na fabricação de parafusos, porcas e pinos, entre outros tipos de peças fabricadas em máquinas automáticas.
Cobre – Enxofre: O cobre-enxofre (Cu-S) contém de 0,20 a 0,50% de enxofre e suas aplicações são semelhantes às do cobre-telúrio. A condutividade elétrica do Cu-S é da ordem de 93 a 95% IACS e o índicede usinabilidade é de 85.
Cobre – Chumbo: Cobre-chumbo (Cu-Pb) apresenta teores de chumbo entre 0,8 e 1,2% com o objetivo de aumentar a usinabilidade do cobre, pois, além de favorecer a fácil quebra dos cavacos, as partículas de chumbo distribuídas no cobre possuem a capacidade de atuar como lubrificantes entre o cavaco e a ferramenta, reduzindo o desgaste da ferramenta por atrito. 
Esse material é usado na fabricação de componentes da construção elétrica que necessitam de elevada condutividade elétrica conjugada com alta usinabilidade, como conectores, componentes de chaves e motores, parafusos e outros componentes usinados de alta condutividade elétrica.
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