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TECNOLOGIA METALURGICA Pollianna Jesus de Paiva Mendes Godoi Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Identificar o que são ligas metálicas. Reconhecer os diferentes campos de aplicação das ligas metálicas. Definir as composições químicas das ligas de alta performance. Introdução Neste capítulo, você vai compreender a definição das ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho, suas proprie- dades, os tipos e as principais características de cada metal. Além disso, você vai conhecer os diferentes campos de aplicação das ligas metálicas na engenharia mecânica e vai aprender sobre as composições químicas das ligas de alta performance, que são as ligas com altas propriedades e têm especificidade de utilização. Definição de ligas metálicas Ligas metálicas são aqueles materiais formados por dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles do tipo metal. Porém, podem ser formados por elementos diferenciados, sendo: metais, não metais e semimetais. A seguir, você verá sobre as ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho. Ligas de alumínio O alumínio é um elemento químico, metal de cor prateada, encontrado em abundância na Terra, que tem diversas aplicações e seguimentos e ao se misturar com outros elementos adquire melhoria de suas propriedades, se comparado em sua utilização de forma pura. O alumínio possui densidade de 2,70 g/cm2, o alumínio tem boa resistência à corrosão na maioria dos meios naturais, devido à estabilidade do filme de óxido que forma em sua superfície, possui baixa resistência mecânica de até no máximo 690 MPa, não é tóxico, tem custo baixo (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 297). O alumínio tem um custo baixo e atualmente tem sido utilizado em diversos serviços de engenharia mecânica. Por esse motivo, além de sua boa resistência à corrosão ao receber tratamento de pintura, se sai melhor ao ser comparado com outros metais para serviços que estarão em contato excessivo com a água, assim como para outros tipos de serviços. Os elementos de liga mais comum nesse metal são cobre, silício, magnésio, manganês e zinco, em quantidades variáveis de até 5%. As principais van- tagens do alumínio são sua baixa densidade, boa relação resistência-peso, ductibilidade, excelente maleabilidade, capacidade de ser fundido e soldado e alta condutividade. Sua densidade é aproximadamente e rigidez é igual a 1/3 da do aço, sendo 10,3 Mpsi (NORTON, 2013, p. 56). O alumínio vem sendo bastante utilizado na substituição do aço, por ser mais leve e ter características de ductibilidade e maleabilidade. As ligas de alumínio de alta resistência têm limites de ruptura na faixa de 480 a 620 MPa e limites de escoamento cerca de duas vezes maior do que o do aço doce. O aço pode ser facilmente fundido, usinado e soldado e conformado a quente ou a frio. Ele pode ser também extrudado. Ligas de alumínio são especialmente formuladas para fundição em areia e em matriz, bem como para formas batidas extrudadas e peças forjadas (NOR- TON, 2013, p. 56-57). Além disso, o limite de ruptura do alumínio é maior que o do aço doce. Pode ser processado de formas diferenciadas, possibilitando melhores resultados e abrindo o campo de utilização e obtenção de produtos de qualidade. Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho2 Ligas de cobre O cobre é um elemento químico, metal de cor avermelhada, retirado de rochas denominadas minérios de cobre. Quando puro, é mole, fraco e maleável. O cobre possibilita diversas ligas, sendo as mais comuns os latões e bronzes (famílias de ligas). Os latões são as ligas de cobre e zinco em proporções va- riáveis, conforme aponta Norton (2013). O cobre misturado a outros elementos adquire melhoria de propriedades, principalmente em relação às resistências e à utilização, entretanto, o cobre é um elemento bastante caro se comparado aos outros elementos. Ligas de cobre-estanho, são denominadas por bronzes de estanho são produzi- das por adição de 1 a 10% de estanho ao cobre, formando-se ligas endurecidas por solução sólida. Os bronzes de estanho para trabalho mecânico têm maior resistência que os latões Cu-Zn, especialmente no estado deformado a frio, e melhor resistência à corrosão, mas são mais caros (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 308). O cobre pode ser ligado ao estanho, obtendo resultados de maior resistência à corrosão quando ligado a este elemento. Ligas de cobre-berílio contém de 0,6 a 2% de Be, sendo adicionado cobalto em quantidades entre 0,2 a 2,5%. Essas ligas endurecidas por precipitação podem ser termicamente tratadas a frio, de modo a obter resistência à tração muito elevadas, 1463 MPa, que é a resistência mais elevada das ligas de cobre para uso comercial. Têm, porém, a desvantagem de serem materiais relativamente caros (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 308). Ao ser ligado ao berílio, o cobre adquire melhoria de propriedades em relação à obtenção de resistências muito elevadas. O cobre e suas ligas têm excelente resistência à corrosão. Todas as ligas de cobre podem ser fundidas conformadas a quente ou a frio e usinadas, mas o cobre puro é de usinagem difícil. Algumas ligas podem ser tratadas termicamente e todas sofrem encruamento. Possuem módulo de elasticidade aproximado de 17 Mpsi (117 GPA) e densidade de 8580 kg/m³. Ligas de cobre são caras (NORTON, 2013, p. 60). A resistência à corrosão é uma das características principais do cobre. Além disso, esse elemento tem diversas formas de processamento quando está em forma de liga, o que melhora as propriedades e a obtenção de produtos de qualidade. 3Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho Ligas de zinco O zinco é um elemento químico, metal que tem cor azul-esbranquiçada e é um elemento abundante na Terra, encontrado em diversos tipos de minérios. De acordo com Geary e Miller (2013), se adicionarmos zinco ao cobre, o resultado será o metal chamado latão. Há muitas composições de latão, sendo que algumas contêm ferro e estanho, além do zinco. O zinco é resistente à deformação em temperaturas frias e, na presença de umidade, forma uma camada protetora que o protege contra a corrosão. Ao se ligar com outros elementos, adquire propriedades de melhorias de resistência mecânica. O zinco também pode ser ligado como componente de menor teor em diversas ligas. Ligas de magnésio O magnésio é um elemento químico, metal que tem cor prata-esbranquiçada, é leve e de grande resistência. Também é um metal abundante na Terra. “O magnésio é um metal leve com densidade de 1,74 g/cm2, mais caro que o alumínio, tem resistência mecânica relativamente baixa, e baixa resistência à fl uência, à fadiga e ao desgaste” (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 316). Quanto aos tipos de ligas, o magnésio tem suas classificações que são subdivididas em relação à resistência quando submetido ou não a certas temperaturas. Há dois tipos principais de ligas de magnésio: ligas para trabalho mecânico que são sob forma de chapa, extrudados e forjados e ligas para fundição. Ambas, podem ser divididas em ligas de para tratamento térmico e ligas sem tratamento térmico (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 316). O magnésio pode ser ligado a alguns elementos químicos com o intuito de melhoria de suas propriedades. Além disso, pode ser processado por forma de fundição e usinagem, facilitando a obtenção de determinados produtos. Os elementos de liga mais comum são o alumínio, o manganês e o zinco. Por causa de sua baixa densidade (1800 kg/m³), sua resistência específica se aproxima do alumínio. Seu módulo de elasticidade é de 6,5 Mpsi (45 GPa) e sua rigidez específica excede a rigidez do alumínio e do aço. Ele é facilmente fundido e usinado, mas é mais frágil do que o alumínio, difícil de ser confor- mado a frio (NORTON, 2013, p. 59). Ligasde alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho4 O magnésio é um metal que, ao ser queimado, propaga luz extremamente brilhante e ultravioleta. É muito inflamável e mais caro que o alumínio. Apesar de o magnésio ser mais caro que o alumínio, muitas empresas estão utilizando o magnésio em lugar do alumínio por ser mais leve, podendo trazer melhores resultados de desenvolvimento quanto à velocidade, dependendo do produto. Ligas de titânio O titânio é um elemento químico, metal que tem cor branca, que tem grande resistência à corrosão e costuma ser utilizado em ligas leves. Apresenta boa relação resistência-peso e limite de fadiga, mas seu custo é signifi cativamente alto (NORTON, 2013). O titânio pode ser ligado a alguns elementos químicos com o intuito de melhoria de suas propriedades. Além disso, pode ser proces- sado de formas diferenciadas. O titânio tem limite superior de temperatura de trabalho de até 750º C, resistência média de 930 Mpa, módulo de elasticidade de 18 Mpsi (124 Gpa). O titânio é muito resistente à corrosão e é atóxico. Encontra-se o titânio na forma pura e na forma de liga em combinação com o alumínio, vanádio, silício, ferro, cromo e manganês. Ele pode ser forjado e conformado, mas é de difícil fundição, usinagem ou conformação a frio. Algumas ligas de titânio possuem verdadeiro limite de resistência à fadiga (NORTON, 2013, p. 58-59). A característica que destaca as ligas de titânio é a resistência à fadiga, que é a resistência do material em suportar repetitivos ciclos, tendo maior resistência à deformação ou à ruptura. Ligas de níquel O níquel é um elemento químico, metal que tem cor prata-dourada, que tem condutividade elétrica, maleabilidade e ductibilidade e é encontrado em diversos metais e meteoritos. Pode ser ligado a alguns elementos químicos com o intuito de melhoria de suas propriedades, como melhoria da resis- tência mecânica e melhoria de tenacidade. “O níquel possui ponto de fusão de 1452º C e a adição de níquel em elevados teores, torna o aço resistente a temperatura, aumenta a resistência mecânica e a tenacidade” (GEARY; MILLER, 2013, p. 88). 5Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho Ligas de chumbo O chumbo é um elemento químico, metal de cor cinza-metálica, é tóxico e pesado, e seu ponto de fusão é de 327ºC. A adição de chumbo e estanho forma uma camada protetora nos aços (GEARY; MILLER, 2013). O chumbo pode ser ligado a alguns elementos químicos com o intuito de melhoria de suas propriedades e utilização em segmentos diferenciados. Ligas de estanho O estanho é um elemento químico, de cor cinza-brilhante-prateado, tem maleabilidade, é cristalino e é encontrado em minérios cassiteritas. Se o estanho for adicionado ao cobre fundido o metal resfriado terá uma dureza bem maior que o próprio cobre. A quantidade de estanho adicionada confere ao metal certas qualidades. A adição de estanho ao cobre produz uma liga chamada bronze (GEARY; MILLER, 2013, p. 75). O estanho pode ser ligado a alguns elementos químicos com o intuito de melhoria de suas propriedades, como resistência à oxidação, podendo ser utilização em diversos segmentos. A indústria automobilística utiliza em abundância aço e ligas de alumínio. Os aços compõem as peças dos carros que devem ter maior rigidez, caso sofram impactos, como o teto do carro, portas e parte que abriga o motor. Entretanto, as outras partes podem ser feitas com ligas de alumínio que têm maior leveza, além de resistência. Outro elemento cujas ligas vêm sendo utilizadas em fabricação de carros são as ligas de magnésio que têm um valor mais caro que o alumínio, mas são resistentes e são mais leves que o alumínio. O desafio atual das indústrias automobilísticas é fabricar automóveis compactos, leves e com boa potência. Por isso, existe a busca constante em inovação de materiais duráveis e que não deixem o carro pesado, fazendo com que tenha um bom desenvolvimento ao ser dirigido pelas estradas. Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho6 Campos de aplicação das ligas metálicas A engenharia é uma área que utiliza bastante ligas metálicas, principalmente se tratando de engenharia mecânica. Conforme Smith e Hashemi (2012), os metais e as ligas têm propriedades técnicas úteis, o que proporciona sua vasta aplicação na engenharia. Assim como em projetos, a execução de produtos manufaturados, automobilísticos, aeronáuticos e marítimos têm elementos de ligas metálicas em suas produções. “As ligas de alumínio têm resistência signifi cativamente mais elevadas que as do alumínio puro e são muito utilizadas em engenharia, tendo nas indústrias aeronáuticas e automotivas seus maiores usuários” (NORTON, 2013, p. 56). Cada tipo de liga tem sua propriedade específica e o melhor segmento a ser aplicado, pois as propriedades devem ser vistas e estudadas pelos engenheiros antes de ser feita a escolha da melhor liga a ser utilizada para determinado serviço, com o intuito de obter melhor qualidade no resultado final do produto e diminuição de manutenções. Utilizam-se ligas de mag- nésio em aplicações nas quais o peso é uma importante restrição, tais como caixas fundidas de motosserras e outros equipamentos que são segurados nas mãos (NORTON, 2013). O cobre é usado principalmente para tubulações, chapas de proteção, condu- tores elétricos (fios) e motores. Os latões são utilizados em muitas aplicações, desde munição para artilharia leve e pesada, até abajures e joalheria. O bronze de silício é utilizado em aplicações navais, como em hélices de navios. O bronze fósforo é utilizado para molas (NORTON, 2013, p. 59). As ligas Cu-Be são usadas em ferramentas para indústria química que requerem elevada dureza e resistência a descargas térmicas. A excelente resistência à corrosão, as boas propriedades de fadiga e a resistência dessas ligas, estão na origem dessa aplicação em molas, engrenagens, diafragmas e válvulas. As ligas Cu-Sn para fundição contêm cerca de 16%, de estanho e são usadas para rolamentos e peças para engrenagens de alta resistência mecânica. Quantidades elevadas de estanho (de 5 a 10%) são adicionadas a essas ligas para obter boa lubrificação em superfícies de rolamentos (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 308). Dependendo do tipo de serviço, a escolha da liga deve ser aquela que contenha elementos com resistência mecânica e a altas temperaturas, não podendo impactar no desempenho final do produto fabricado. 7Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho O cobre tem o símbolo Cu na tabela periódica, o berílio tem o símbolo Be, e o estanho tem o símbolo Sn. “O titânio encontra grande espaço na indústria aeroespacial, em estrutura de aviões e motores a jato, onde se requer resistência, baixo peso e altas resistências à temperatura e corrosão” (NORTON, 2013, p. 59). “O chumbo é aplicado em partes de máquinas, e o níquel é aplicado em aços inoxidáveis, ferramentas resistentes a ácidos e partes de máquinas” (GEARY; MILLER, 2013, p. 88). Além disso, o chumbo pode ser encontrado em aditivos de combustíveis, baterias e em fabricação de ácidos. Ligas de estanho costumam ser utilizadas em indústrias automotivas e acabamentos de latarias e as ligas de alta performance costumam ser utilizadas em indústrias aeronáuticas. O bronze formado por cobre e estanho é conhecido pelo homem há cerca de 4 mil anos. Seu uso inicial foi em armas, escudos, sinos e utensílios diversos (GEARY; MILLER, 2013). Hoje, o bronze, o ouro e a prata são utilizados na fabricação de medalhas e moedas, por exemplo, por serem resistentes e duráveis. Composições químicas das ligas de altas performances As ligas de alta performance, ou superligas, são aquelas que têm características elevadas em relação aos outros tipos de ligas. Têm alto desempenho e alta resistência a corrosão, temperaturas, fadigas e fl uências e, ainda, apresentam alta condutividadetérmica. “As superligas de níquel são muito aplicadas em aplicações aeroespaciais, possuem alto ponto de fusão e boa resistência às altas temperaturas” (SMITH; HASHEMI, 2012, p. 320). Podemos ter superligas formadas por ferro e níquel, superligas de níquel e superligas de cobalto. Todas essas ligas podem ter elementos adicionais que Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho8 causam efeitos de melhoria de resistência e dureza. Esses elementos químicos adicionais podem ser o cromo (Cr), o molibdênio (Mo), o alumínio (Al), o titânio (Ti), o tântalo (Ta), o níquel (Ni), o cobalto (Co), o tungstênio (W), dentre outros. Confira no Quadro 1 exemplos de superligas. Item Ligas de alta performance — superligas Superligas Classificação Composição 1 Ferro e níquel Alloy Ferro; 26% Ni; 15% Cr; 1,5 % Mo; 2% Ti Inconel Níquel; 19% Fe; 19% Cr; 3% Mo; 1% Ti e 0,5% Al 2 Níquel Waspalloy 19,5% Cr; 13,5% Co; 5% Mo; 1,5% Al; 3% Ti; C e outros Nimonic 19,5% Cr; 1,5% Al; 2,5% Ti, C e outros Rene 19% Cr; 11% Co; 10% Mo; 1,5% Al; 3% Ti, C e outros Udimet 17% Cr; 15% Co; 3% Mo; 1,3 W; 2,5% Al; 5% Ti; C e outros 3 Cobalto Ligas trabalhadas Cobalto; até 0,5% C; até 28% Cr; até 6% Mo; até 11% W; até 3,5 Ta; até 10% Ni; até 2% Ni e outros Ligas fundidas Cobalto; até 0,1% C; até 22% Cr; até 15% W; até 3,5 Ta; até 22% de Ni e outros Quadro 1. Composição das superligas O Quadro 2 mostra algumas composições das principais ligas metálicas de alumínio, cobre, zinco, titânio, níquel, chumbo e estanho, para melhor entendimento. 9Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho Item Ligas metálicas Superligas Classificação Principais composições 1 Alumínio Alumínio + manganês de cobre + zinco 2 Cobre Bronze Cobre; até 11% Sn (estanho) Latão Cobre; até 45% Zn (zinco) Cobre alumínio Cobre + até 11% Al (alumínio) Cuproníquel Cobre + até 30% Ni (níquel) Alpacas 45 a 70% Cu (cobre) + até 30% Ni (níquel) + restante de Zn (zinco) 3 Zinco Zinco + chumbo + estanho 4 Magnésio Magnésio + alumínio Magnésio + zinco 5 Titânio Titânio + alumínio + estanho Titânio + alumínio + vanádio Titânio + vanádio + cromo + alumínio Titânio + alumínio + molibdênio + vanádio Titânio + alumínio + cromo + vanádio Titânio + alumínio + vanádio + estanho 6 Níquel Monel Até 63% Ni + 2,50 % Fe (ferro) + até 34% Cu + até 2,25% Mn (manganês) e outros Incoloy Até 72% Ni + até 27% Cr (cromo) até 9% Fe + até 2,6% Ti (titânio) até 10% Cu + até 1% Al e outros Inconel Níquel + cromo + ferro + titânio + cobre + alumínio Hastelloy Níquel + cromo + ferro + molibdênio + alumínio + vanádio Quadro 2. Composições das ligas metálicas de alumínio, cobre, zinco, titânio, níquel, chumbo e estanho (Continua) Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho10 Assista ao vídeo a seguir, que aborda detalhadamente as ligas de titânio, altamente utilizadas na engenharia, e as suas propriedades (LIGAS DE TITÂNIO, 2017). https://goo.gl/xB9fr6 O latão é formado pela liga metálica de cobre com zinco, que também tem outras formações. O latão apresenta uma cor amarelada e, além disso, é resistente a manchas. Ele pode ser utilizado na fabricação da parte amarelada de cadeados, instrumentos musicais, torneiras, armas, bijuterias, tubos, parafusos, arames, etc. O latão tem propriedades de brilho, condutibilidade de energia e calor, além de maleabilidade, podendo ser aplicado em diversos tipos de produtos, e tem baixo custo. A única desvantagem do latão é que sua resistência à corrosão é limitada; por isso, ele não deve ser usado em excesso com água e outros reagentes ácidos. Item Ligas metálicas Superligas Classificação Principais composições 7 Chumbo Chumbo + prata Chumbo + estanho + prata 8 Estanho Bronze Até 11% Sn (estanho) + cobre Solda Até 60% Sn (estanho) + até 40% Pb (chumbo) Metal patente Estanho + chumbo + antimônio Quadro 2. Composições das ligas metálicas de alumínio, cobre, zinco, titânio, níquel, chumbo e estanho (Continuação) 11Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho 1. Sabemos que os metais podem fazer parte das ligas metálicas e que as ligas metálicas podem conter metais, semimetais e não metais em sua formação. Sabendo disso, marque a alternativa correta que mostra a definição de ligas metálicas. a) Ligas metálicas têm somente materiais metálicos. b) Ligas metálicas são materiais formados por dois ou mais elementos, sendo pelo menos um desses elementos químicos do tipo metal. c) Ligas metálicas são materiais formados por dois ou mais elementos, sendo todos os elementos químicos do tipo metal. d) Ligas metálicas são materiais formados por apenas um elemento químico do tipo metal. e) Ligas metálicas são materiais formados por dois ou mais elementos, sendo todos os elementos químicos do tipo não metal. 2. Sabemos que o bronze advém de ligas formadas por elementos metálicos. Sabendo disso, marque a alternativa que indica corretamente a liga que compõe o bronze. a) Zinco e estanho. b) Aço e ferro fundido. c) Aço e alumínio. d) Cobre e estanho. e) Ferro laminado e magnésio. 3. Sabemos que o latão advém de ligas formadas por elementos metálicos. Sabendo disso, marque a alternativa que indica corretamente a liga que compõe o latão de cor amarelada. a) Zinco e cobre. b) Aço e ferro fundido. c) Aço e alumínio. d) Alumínio e chumbo. e) Ferro laminado e magnésio. 4. Sabemos que o níquel é um metal que pode formar ligas metálicas em junção com os elementos ferro, cromo e outros elementos adicionais. Sabendo disso, marque a alternativa que informa corretamente os nomes dados às ligas de níquel. a) Metal patente e bronze. b) Alpacas, cuproníquel e cobre alumínio. c) Bronze, monel e incoloy. d) Latão e bronze. e) Monel, incoloy, inconel e hastelloy. 5. Sabemos que o magnésio é um metal que pode formar ligas metálicas em junção com os elementos químicos. Sabendo disso, marque a alternativa que informa corretamente os tipos de ligas de magnésio. a) Ligas de alta performance e superligas. b) Ligas metálicas e de fundição. c) Ligas para trabalho mecânico e fundição. d) Ligas de aço e metais não ferrosos. e) Ligas para usinagem. Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho12 GEARY, D.; MILLER, R. Soldagem. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. LIGAS de titânio. Videoaula ministrada por Caroline Baptistella et al. [S. l.], 2017. 1 vídeo (14min). Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=SwIBQIBa8rI&feature= youtu.be>. Acesso em: 16 ago. 2018. NORTON, R. L. Projetos de máquinas: uma abordagem integrada. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos da engenharia e ciências dos materiais. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. Leituras recomendadas ASKELAND, D. R; PHULE, P. P. Ciência e engenharia dos materiais. São Paulo: Cengage, 2008. LIGAS de cobre. Vídeo aula ministrada por Daniel Pirola et al. [S. l.], 2016. 1 vídeo (6min47s). Disponível em: <https://youtu.be/xNq5EU0AEfA>. Acesso em: 16 ago. 2018. PAWLICKA, A.; FRESQUI, M.; TRSIC, M. Curso de química para engenharia: materiais. v. 2. Barueri: Manole, 2013. 13Ligas de alumínio, cobre, zinco, magnésio, titânio, níquel, chumbo e estanho Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
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