Ligas Não Ferrosas

Prévia do material em texto

Ligas Não Ferrosas


Aula de HOJE

Metais Não-Ferrosas
• Por quê?
– Apesar da diversidade de propriedades das ligas 
ferrosas, facilidade de produção e baixo custo, elas 
ainda apresentam limitações:
• Alta densidade, baixa condutividade elétrica, 
corrosão.
• Diversidade
– Existem ligas de uma enorme variedade de metais.
– Nós vamos descrever algumas apenas
• Cobre, Alumínio, Magnésio, Titânio, refratários, 
super-ligas.
• Metais e ligas metálicas isentas de ferro, ou onde o ferro entra 
em pequena quantidade.
• Características genéricas :
• Resistência à corrosão
• Preço bastante elevado
• Baixa dureza e alta ductilidade
• Condutibilidade elétrica e térmica
• Menor resistência à altas temperaturas que o aço
Metais Não-Ferrosas
Cobre e ligas
• O cobre apresenta uma qualidade única como material de 
engenharia:
• Combina boa resistência à corrosão com elevada condutividade 
elétrica e térmica, e a resistência mecânica, obtida através da adição 
de outros metais.
• O cobre e suas ligas são quase sempre catódicos em relação a outros 
materiais estruturais como o aço carbono e o alumínio.
• O cobre resiste a:
• água do mar;
• água doce, fria ou quente;
• H2SO4, ácido acético e outros ácidos não oxidantes, desde que diluídos e 
não aerados;
• exposição à atmosfera.
 
Cobre e ligas
• O cobre não resiste a:
• ácidos oxidantes (HNO3, H2SO4 quente concentrado e ácidos 
não oxidantes aerados);
• NH4OH mais oxigênio. Este meio provoca corrosão sob tensão;
• águas e soluções aquosas aeradas e com alta velocidade;
• sais oxidantes de metais pesados, como FeCl3 e Fe2(SO4)3;
• H2S e alguns compostos de enxofre.
• Classificação:
1) Cobre comercial;
2) Latões: ligas de cobre e zinco com até 40% de Zn;
3) Bronzes: ligas de cobre com Sn, Al, P e Si e outros elementos, 
contendo 85 a 95% de cobre;
4) Cobre-níquel.
Cobre e ligas
Cobre comercial
• Contém pelo menos 98% de Cobre
• Temperatura limite de utilização 200°C
– forte redução da resistência mecânica
– transformações metalúrgicas
• Não apresenta temperatura de transição dúctil-frágil
• Difícil soldabilidade
– alto coeficiente de troca térmica
– requer pré-aquecimento para a soldagem
• Material bastante estável (mesmo grupo da Ag e Au)
– excelente resistência à corrosão.
Cobre comercial
• O emprego do cobre em equipamentos de processo é 
atualmente muito reduzido, devido ao custo elevado e 
também à sua baixa resistência mecânica.
Cobre comercial
Latões (Cu/Zn)
Ligas de cobre com até 40% de Zn e pequenas 
quantidade de Al, Sn, Fe e outros elementos.
• Propriedades que se alteram com a adição do Zn:
– resistência mecânica (melhora até um limite de 30% de Zn);
– custo (reduz com a adição de Zn);
– resistência à corrosão (diminui).
• Os latões com mais de 15% de Zn podem sofrer 
dezinficação (corrosão seletiva).
– migração do Zn;
– a liga fica esponjosa;
• O limite de temperatura para o latão é de 200°C
Dezinficação - Latões
• Eliminação seletiva do Zn;
• Latões com mais de 15% de Zn;
• Ocorre na presença da água com muito O2 ou CO2
dissolvido ou soluções acidas;
• Inibido pela adição de antimônio (Sb) ou estanho (Sn);
• Aplicações:
– Tubos para trocadores de calor;
– Válvulas de pequeno diâmetro, peças internas em válvulas grandes, para 
baixa pressão e temperatura moderada, com ar, vapor e águas em geral.
Latões
Bronzes (Cu/Sn)
Ligas de cobre com Sn, Al, P, Si e outros elementos, 
contendo 85 a 95% de Cobre.
• Resistência à corrosão semelhante à do cobre comercial;
• Resistência mecânica e à temperatura são melhores que a do cobre 
comercial:
– Limite superior de temperatura de trabalho 370°C (alguns tipos);
– Limite inferior -200°C (mesma do cobre comercial).
• A adição de 4 a 10% de Al melhora muito a resistência mecânica, a 
resistência à temperatura e também à oxidação;
• A adição de Sn aumenta a resistência mecânica e a resistência à 
água salgada em movimento.
Comparando aos latões, os bronzes:
• São ligas de alto preço;
• Tem melhores características mecânicas;
• Apresentam melhor trabalhabilidade e capacidade de 
conformação;
• O bronze-silício tem melhor resistência à corrosão do que os 
bronzes de alumínio, porém sua temperatura limite é de 100°C;
• Assim como o cobre está sujeito à corrosão sob tensão;
• Aplicações:
– construção de válvulas pequenas;
– para mecanismo interno de válvulas grandes;
– espelho para trocadores de calor.
Principais especificações de bronzes para equipamentos de processo
Bronzes
Tipos de Bronzes Comuns
• Bronzes para Laminação, Extrusão e Trefilação
• Utilizados no estado encruado;
• Boa resistência mecânica, à corrosão e à fadiga;
• Aplicação:
• Molas;
• Molas de contatos elétricos; 
• Buchas; 
• Pinos de segurança;
Tipos de Bronzes Comuns
• Bronzes para condutores
• Para materiais empregados em condutores elétricos, 
devem possuir algumas características extras, como:
• Resistência mecânica, resistência à corrosão, ao desgaste e em 
alguns casos à temperaturas elevadas quanto ao amolecimento;
• Cobre puro não possui estas características;
• Bronze com baixo teor de estanho para obter essas 
propriedades mecânicas com o mínimo de sacrifício da 
excelente condutividade do cobre;
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
O Elemento Alumínio
• Símbolo Químico: Al
• Número Atômico: 13
• Peso Atômico: 26,98
• Densidade: 2,7 g/cm3 (BAIXA DENSIDADE)
• Estado Físico: Sólido
• Ponto de Fusão: 933,7 K (660oC)
• Ponto de Ebulição: 2792,0 K (2519oC)
Densidade do Al
O Alumínio
• Metal branco brilhante;
• Leve,Dúctil, Maleável;
• Sofre pouca influência do ar (Excelente resistência à corrosão, conferida 
pela camada protetora de óxido-Al2O);
• É o metal mais abundante da crosta terrestre;
• Não é encontrado livre, sempre na forma de alumina (Al2O3);
• Processamento ainda caro, mas fácil reciclagem;
• Pode atingir resistência mecânica similar a alguns aços na 
forma de ligas (Obs: Al puro (99,99%) tem baixa resistência mecânica).
Propriedades Mecânicas, Químicas e Elétricas
• Leveza:
• Ex - no transporte, as embalagens
• Condutibilidade:
• Bom condutor elétrico e térmico
• Impermeabilidade e opacidade:
• Não permite a passagem de luz e umidade
• Alta relação resistência /peso:
• Bastante resistente em relação ao seu peso
• Beleza:
• Material nobre e limpo que não se deteriora com o tempo. Largamente 
usado em confecções de peças para o lar.
Propriedades Mecânicas, Químicas e Elétricas
• Resistência à corrosão: 
• Facilita a conservação e a manutenção
• Moldabilidade e soldabilidade:
• Altamente maleável e dúctil, possibilitando formas adequadas aos 
mais variados projetos. 
• Resistência e dureza:
• Excelente comportamento mecânico
• Reciclabilidade:
• Depois de muitos anos de vida útil, o alumínio pode ser reciclado
Áreas aplicações alumínio e produtos
Os principais setores que consomem alumínio são:
• Bens de consumo
• Transporte 
• Construção Civil
• Embalagens
• Indústria Elétrica
• Outros setores.
Áreas aplicações alumínio e produtos
• Bens de consumo
• Utensílios domésticos, cadeiras e mesas de praia e jardim,
bicicletas, escadas, objetos de decoração e etc...
• Transportes
• Furgões, nas carrocerias abertas, nos tanques rodoviários,
nos vagões ferroviários, nas carrocerias de ônibus e na
substituição de peças mais pesadas por peças mais leves
no setor automotivo.
• Construção Civil
• Revestimentos internos e externos, telhas, divisórias, forros e
em muitos detalhes de concepções arquitetônicas modernas. 
Áreas aplicações alumínio e produtos
• Embalagens
• Fabricadas a partirde folhas e laminados, são empregadas
para os mais variados tipos de consumo, com o objetivo de
atender os mercados de produtos farmacêuticos, de
higiene e limpeza, produtos alimentícios e bebidas.
• Indústria Elétrica
• Fios e cabos para utilização em linhas de transmissão de
grande porte e subtransmissão, cabos condutores para
distribuição aérea ou subterrânea e
instalações elétricas prediais e industriais.
Áreas aplicações alumínio e produtos
• Outros setores
• Indústrias de transformação, química em geral, papeleira, 
metalúrgica e petroquímica, para produção de refratários, 
revestimentos cerâmicos, abrasivos, vidros, porcelanas, 
massas de polimento, tintas, retardantes de chama, 
isoladores elétricos, pastilhas de freio, corantes e etc. 
Áreas aplicações alumínio e produtos
A grande maioria dos produtos finais citados anteriormente
pertencentes as áreas de aplicação do alumínio advém
dos seguintes produtos semimanufaturados:
• Perfis extrudados 
• Chapas e laminados 
• Folhas 
• Fios e Cabos 
• Fundidos e Forjados 
• Pastas e pó 
• Aluminas especiais 
Áreas aplicações alumínio e produtos
Perfis extrudados Chapas e laminados Folhas Fios e Cabos
Fundidos e Forjados Pastas e pó Aluminas especiais
Áreas aplicações alumínio e produtos
Características do Al
• O Alumínio não é ferromagnético, possui elevadas condutividades 
térmica e elétrica, e é não-tóxico;
• Resistência à oxidação progressiva, formação de camada de óxido 
protetor que impede a progressão da deterioração do material;
• O alumínio com tratamentos e/ou elementos de liga se torna 
resistente à corrosão em meios mais agressivos;
• O alumínio também encontra aplicações em peças decorativas, 
graças à sua superfície brilhante e refletiva. 
Classificação do Alumínio
• Conforme aplicação
• Ligas trabalhadas X X X X
• Laminação;
• Forjamento;
• Ligas para fundição X X X . X 
• Primeiro dígito: conforme o elemento de liga.
O segundo e terceiro dígitos não possuem significado numérico, apenas identificam as 
várias ligas no grupo.
O último dígito indica a forma do produto:
0 - indica peças fundidas;
1 - indica lingotes convencionais;
2 - indica lingotes com composições mais restritas que lingotes convencionais.
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
Série Composição Química Aplicações principais
1XXX Al comercialmente puro Contatos elétricos, Alclad
2XXX Al-Cu e Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica
3XXX Al-Mn e Al-Mn-Mg Latas de bebidas. Panelas
4XXX Al-Si
Metal de adição para soldas. 
Pistões forjados de motores
5XXX Al-Mg
Aplicações náuticas (navios e 
barcos)
6XXX Al-Mg-Si
Perfis arquitetônicos. 
Componentes automotivos
7XXX Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica
8XXX Outras ligas (Al-Li, Al-Fe...) Várias
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
Série 1xxx
Série 3xxx - Al-Mn 
Série 4xxx - Al-Si
Série 5xxx - Al-Mg
Trabalho mecânico Fundição
Tratáveis 
termicamente
Não tratáveis termicamente –
endurecimento por encruamento
Série 2xxx - Al-Cu
Série 6xxx - Al-Mg-Si
Série 7xxx - Al-Zn Série 1xx.x - Al-puro
Série 2xx.x - Al-Cu
Série 3xx.x - Al-Si-Mg
.
.
.
Tratamento térmico
• Alívio de tensões
• Recozimento para recristalização e homogeneização
• Solubilização
• Precipitação ou envelhecimento
Tratamento térmico
• Alívio de tensões:
- T= 130-150°C
- Tempo depende da espessura da peça.
• Recozimento p/ recristalização e homogeneização:
- T= 300-400°C
- Recristalização: para ligas laminadas, extrudadas
- Homogeneização: peças fundidas (para difundir os 
microconstituintes).
• Solubilização:
- Dissolve as fases microscópicas.
- Temperatura= depende da liga.
Tratamento térmico
• Precipitação ou envelhecimento:
- Consiste na precipitação de outra fase, na forma de partículas 
extremamente pequenas e uniformemente distribuídas.
- Esta nova fase enrijece a liga.
- Após o envelhecimento o material terá adquirido máxima dureza e 
resistência.
- O envelhecimento pode ser natural ou artificial.
Tratamento térmico
Solubilização
Resfriamento 
em água
Precipitação
Ou envelhecimento que
pode ser natural ou artificial
A ppt se dá a
T ambiente
A ppt se dá 
acima da T
Ambiente por 
reaquecimento
Alumínio comercialmente puro
• Série 1XXX
• Grau de Pureza 99,00%(1000) – 99,99%(1099)
• Elevada condutividade térmica e elétrica
• Baixa resistência mecânica
• Baixa resistência a corrosão
• Formação de uma camada de óxido de alumina
Ligas Al-Cu
• Série 2XXX
• Conhecidas como DURALUMÍNIO
• Elevada resistência a tração
• Tratamento térmico de envelhecimento aumenta mais a 
resistência
• Resistência a corrosão baixa
• Conformabilidade e Soldabilidade restrita
• Acréscimo do Mg aumenta o endurecimento.
Ligas Al-Mn
• Série 3XXX
• Não é endurecida por precipitação e sim por trabalho 
mecânico
• Alta resistência mecânica
• Redução da Dutilidade e da susceptibilidade à corrosão 
sobre tensão
• 3003 – Panelas
• 3004 – Latas para acondicionamento de bebidas
Ligas Al-Si
• Série 4XXX
• Utilizadas como liga de fundição
• Silício confere à liga um aumento da fluidez do alumínio 
líquido, permitindo melhor o fluxo através do molde
• Reduz porosidade, contração no resfriamento
• Melhora soldabilidade
• Reduz usinabilidade.
Ligas Al-Mg
• Série 5XXX
• Melhor combinação entre resistência mecânica, 
resistência a corrosão e ductilidade.
• Boa soldabilidade
• Usada em grande escala na Indústria Naval
Ligas Al-Mg-Si
• Série 6XXX
• Facilidade de Extrusão (Elevada Dutilidade)
• Endurecimento por precipitação
• Mais usada comercialmente
• Potencial de aplicação na indústria automotiva
Ligas Al-Zn
• Série 7XXX
• Endurecível por precipitação
• Níveis mais altos de resistência mecânica
• Baixa resistência a corrosão sobre tensão
• Principalmente usada na fabricação de aviões
•7001 - maior resistência mecânica de todas as ligas.
Ligas Al-Sn; Al-Li; Al-Fe
• Série 8XXX
• Grupo que engloba as outras ligas não pertencentes às 
ligas anteriores
• Al-Li: mais baixa densidade
• Al-Sn: grande resistência a fadiga e boa resistência a 
corrosão
Ligas de Al para fundição:
São ligas muito versáteis para fundição:
• Baixa viscosidade: > facilidade preencher molde;
• Baixa temperatura de fusão (uso de moldes metálicos);
• Elevado coeficiente de transferência de calor (ciclos de fundição 
curtos);
• H2 tem solubilidade significativa em ligas de alumínio e seu teor 
pode ser controlado pelos processos de desgaseificação;
• A maior parte das ligas de alumínio não apresenta tendências ao 
fenômeno de trinca a quente;
• Não apresentam interações ou reações metal-molde  bom 
acabamento superficial após a fundição.
Ligas de Al para fundição:
• Ligas Al-Cu (série 200): resistência mecânica, boa usinabilidade, resistência à 
corrosão. Aplicações: peças estruturais, carcaças e pistões para motores diesel;
• Ligas Al-Si (série 300): 90% das peças fundidas em alumínio são da série 300. 
resistência à corrosão, boa soldabilidade, mas são de usinagem difícil. 
Aplicações: coletores de admissão, cabeçotes e blocos de motor, pistões e rodas 
automotivas, peças estruturais para a industria aeroespacial, bombas e 
carcaças;
• Ligas Al-Mg (série 500): elevada resistência à corrosão e excelente 
usinabilidade. Aplicação: peças estruturais para a industria química, de 
alimentos e naval;
• Ligas Al-Zn (série 700): características semelhantes às ligas da série 500;
• Ligas Al-Sn (série 800): boa usinabilidade e boas propriedades anti-fricção. 
Aplicações: mancais, buchas e bronzinas.
Ligas de Alpara fundição:
• Ligas Al fundidas (acima de 660oC) tem alta solubilidade de H2. No 
resfriamento, o H2 se segrega nas porções finais a serem 
solidificadas  porosidade interdendríticas (ruim para ductilidade 
e fadiga).
• Degaseificação: a vácuo, ou borbulhamento de gás ativo (cloro), 
borbulhamento gás inerte (Ar, N2)
Ligas de Al para fundição:
Menor qtde de H2
dissolvido
Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição sob pressão
(fundição por injeção)
Ligas 380 e 413;
Pressões de 100 a 200 Kgf/cm2;
Alta velocidade de vazamento;
Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição em coquilha por gravidade
•Produção seriada;
•Turbulência no vazamento;
•Reduzir H2, usar Sb para reduzir poros, usar ligas de pequeno intervalo solidificação; 
•Ligas 319, 355, 356, 359 360 380 e 413;
Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição por molde de areia
Molde: areia (sílica) e ligantes (bentonita) ou 
resinas sintéticas;
Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição em baixa pressão
Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição de precisão
(processo de cera perdida ou microfusão)
Molde: lama cerâmica, à base 
de zirconita e sílica coloidal, e 
material refratário particulado
Anodização
• Visa o aumento da película de oxido: Al2O3;
• Eletrólitos (ac. sulfúrico, oxálico, crômico)
• Anodo: é a própria peça;
• Catodo: qualquer outro metal;
• Há reação do Al com o eletrólito a camada de óxido formada 
cresce do interior para o exterior;
• Com a formação desta camada de óxido, impermeável, na
superfície da peça há um aumento da resistência à corrosão e
também um aumento da resistência mecânica superficial.
Anodização
• O objetivo da anodização é 
melhorar a estética das peças, 
isolá-las de corrente elétrica e 
protegê-las da corrosão e de 
qualquer outro fator externo 
(ar salino, fumaças industriais, 
etc.) podendo ser fosca ou 
brilhante.
• A espessura da camada, varia 
em função do tempo de 
anodização:
Espessura Aplicação
11 a 15µm Urbana/rural
16 a 20µm litorânea
21 a 25µm Industrial/m
arítima
Temperatura
• Efeito da temperatura sobre o alumínio:
– a redução da temperatura leva a:
• aumento dos limites de resistência e de escoamento;
• ligeira redução no alongamento;
• a resistência ao impacto permanece praticamente inalterada 
até o zero absoluto.
– o aumento da temperatura, por sua vez:
• provoca uma redução da resistência mecânica , não 
podendo ser empregado para temperaturas acima de 150°C;
• em algumas ligas o limite de utilização é de 65°C.
Exemplos de aplicações do Al
• Espuma Metálica
Usam catalisador (para criar bolhas) e temperatura do forno adequado;
Leve o suficiente para flutuar na água, mantendo as características de resistência 
e elasticidade 
Aplicação: incrementar a espessura dos tubos da carroceria de ônibus, 
recheando-os com espuma metálica, para melhorar a segurança em caso de 
acidente por tombo.
Ligas de Magnésio
• Densidade: 1,7 g/cm3 (menor que do Al)
• Estrutura cristalina HC
• Baixo módulo: 45GPa;
• Deformação difícil (baixa deformação);
• Fabricação por fundição (ou def. a quente)
• Ponto Fusão: 651oC
• Aplicações: indústria aeronáutica, mísseis, substituição aos 
plásticos de engenharia devido à rigidez e densidade 
comparável, partes automóveis (volantes, colunas, rodas), etc.
Ligas de Titânio
• Densidade: 4,5 g/cm3;
• Ponto de Fusão alto: 1668ºC;
• Elevada rigidez: E=107GPa;
• LRT: 1.400MPa;
• Dúcteis, fácil forjamento, usinagem e resistente à corrosão;
• Limitação: reatividade à altas temperaturas (requer processo 
especiais beneficiam., fusão e fundição);
• Aplicações: próteses, implantes metálicos, estruturas de 
aeronaves, veículos espaciais.
• Metais refratários
– Nb, Mo, W, Ta. 
– Altíssimo ponto de fusão (de 2468°C a 3410°C).
– Ligações atômicas extremamente fortes, alto módulo 
de Young, resistência e dureza alta.
– Usados em filamentos de lâmpadas, cadinhos, 
eletrodos de soldagem, etc...
• Super-ligas
– Ligas de Co, Ni ou Fe com Nb, Mo, W, Ta, Cr e Ti.
– Usados em turbinas de avião. Resistem a atmosferas 
oxidantes a altas temperaturas.
Outras Ligas Não Ferrosas