aula 06 mm n ferrosas

UNIFACS

Materiais MetálicosAULA 6

Ligas Não Ferrosas

Lucas Nao Horiuchi

[email protected]

23/Abr/10

6. Ligas Não Ferrosas

• Cobre e ligas

• Latões

• Bronzes

• Alumínio

• Outros: Magnésio e Titânio

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.


• 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.

Cobre e ligas


• 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.


• 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

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.


• 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

Propriedades Mecânicas, Químicas e Elétricas


Áreas aplicações alumínio e produtos

Os principais setores que consomem alumínio são:

• Bens de consumo• Transporte • Construção Civil• Embalagens• Indústria Elétrica• Outros setores.


• 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 nasubstituição de peças mais pesadas por peças mais levesno setor automotivo.

• Construção Civil– Revestimentos internos e externos, telhas, divisórias, forros eem muitos detalhes de concepções arquitetônicas modernas.



• Embalagens– Fabricadas a partir de 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.



• 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.



A grande maioria dos produtos finais citados anteriormentepertencentes as áreas de aplicação do alumínio advémdos seguintes produtos semimanufaturados:• Perfis extrudados • Chapas e laminados • Folhas • Fios e Cabos • Fundidos e Forjados • Pastas e pó • Aluminas especiais



Perfis extrudados Chapas e laminados Folhas Fios e Cabos

Fundidos e Forjados Pastas e pó Aluminas especiais



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 LIGASSérie 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-SiMetal de adição para soldas.

Pistões forjados de motores

5XXX Al-MgAplicações náuticas (navios e

barcos)

6XXX Al-Mg-SiPerfis arquitetônicos.

Componentes automotivos

7XXX Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica

8XXX Outras ligas (Al-Li, Al-Fe...) Várias


ALUMÍNIO E SUAS LIGASSérie Composição Química Aplicações principais

1XX.XAl comercialmente

puro Contatos elétricos

2XX.X Al-Cu e Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica

3XX.X Al-Si-Mg e Al-Si-Cu Várias

4XX.X Al-Si Pistões fundidos de motores

5XX.X Al-Mg Aplicações náuticas (navios e barcos)

6XX.XNão existe este

sistema Não especificado por não existir este sistema

7XX.X Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica

8XX.X Al-Sn Várias, para ligas com baixo ponto de fusão



Série 1xxxSérie 3xxx - Al-Mn

Série 4xxx - Al-SiSérie 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-puroSérie 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 quepode ser natural ou artificial

A ppt se dá aT 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 Al para 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)



Menor qtde de H2

dissolvido



Processo de fundição sob pressão(fundição por injeção)

Ligas 380 e 413;Pressões de 100 a 200 Kgf/cm2;Alta velocidade de vazamento;



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;



Processo de fundição por molde de areia

Molde: areia (sílica) e ligantes (bentonita) ou resinas sintéticas;



Processo de fundição em baixa pressão



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/marítima


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


Obrigado pela atenção!!

Dúvidas?

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