ZINCO E SUAS LIGAS

INTRODUO

Uma das caractersticas mais importantes do zinco a sua resistncia

corroso em qualquer ambiente atmosfrico (devido proteo de um xido protetor

temperatura ambiente), que permite que este seja utilizado na proteo contra corroso,

atravs da aplicao por diferentes processos de revestimento de peas e estruturas de

ao, alm de ferros fundidos e ligas de alumnio. Por exemplo, para proteo contra

corroso do ao com o uso de zinco, pode ser atravs dos seguintes processos:

a) Aplicao de recobrimentos metlicos ou de substncias orgnicas e inorgnicas;

b) Emprego de inibidores de corroso nos meios ambientes;

c) Utilizao de ligas metlicas mais resistentes corroso;

d) Adoo de proteo catdica.

O zinco no utilizado para fins estruturais devido sua baixa resistncia

mecnica. Entretanto, algumas ligas de zinco podem ter resistncia mecnica

suficientemente elevada, para algumas aplicaes especficas. A ductilidade do zinco,

acima de 100oC, bastante elevada, permitindo, assim, que a conformao plstica seja

relativamente fcil na obteno de formas laminadas ou extrudadas. Pode ser encontrado

na forma de placas, lingotes, chapas, gros e ps.

O ponto de fuso do zinco baixo e, associado a outras caractersticas, permite

a sua utilizao em processos de fundio sob presso em matrizes metlicas; assim, o

zinco utilizado na forma de uma liga com alumnio e outros elementos. As propriedades

fsicas do elemento zinco esto mostradas na Tabela 1.

Tabela 1 Propriedades do Zinco Propriedades Valor Unidade

Densidade 7,13 g/cm3

Ponto de fuso 420 C

Condutividade eletrica 28 %IACS

Estrutura HC CLASSIFICAO E DESIGNAO

O zinco e suas ligas podem ser classificados em duas categorias: zinco e ligas

de zinco trabalhadas; e ligas de zinco para fundio. A Tabela 2 mostra os nomes e a

designao do zinco e suas ligas, de acordo com as categorias.

Tabela 2 Designao do zinco e suas ligas Designao Composio

Zinco e ligas de zinco trabalhadas Zinco laminado comercial Zn 0,08 Pb Zinco laminado comercial Zn 0,06 Pb 0,06 Cd Zinco laminado comercial Zn 0,3 Pb 0,06 Cd Zinco laminado endurecido com cobre Zn 1 Cu Liga de zinco laminada Zn 1 Cu 0,010 Mg Liga de zinco cobre - titnio Zn 0,8 Cu 0,15 Ti

Ligas de zinco para fundio por presso em matrizes Zamac 3 Liga de zinco Zn 4 Al 0,04 Mg Zamac 5 Liga de zinco Zn 4 Al 1 Cu 0,04 Mg

Ligas de zinco para fundio por gravidade Ilzro 16 Zn 1,2 Cu Liga de zinco Zn 4,75 Al 0,25 Cu

Para as diversas aplicaes ligas para laminao e para fundio, elemento de

liga dos lates e material de revestimento protetor contra corroso deve-se utilizar os

diferentes tipos de zinco como matria-prima, de acordo com a designao e constituio

indicada na Tabela 3, a partir das especificaes exigidas do produto final. Tabela 3 - Composic o qumica dos tipos de zinco.

Zn (min) Pb Fe (max) Cd Sn Al* Extra fino 99,990 0,003 0,003 0,003 0,001 - Fino 99,90 0,03 0,02 0,02 - - Comum 98,0 1,4 0,05 0,20 - 0,05 * para aplicao em laminados de zinco ou lato Al: 0,005% mx.

O zinco tambm pode ser classificado em duas famlias: zinco primrio e zinco

secundrio. O zinco primrio representa 80% da produo atual, e o seu principal

processo de produo o eletroltico, que consiste na dissoluo do xido ustulado em

cido sulfrico, seguido de um processo de eletrlise, na qual o eletrlito, rico em zinco,

entra em clulas eletrolticas com nodos de ligas de chumbo e ctodos de alumnio. O

zinco se deposita neste ltimo, sendo periodicamente retirado para posterior fuso e

transformao em placas. O zinco secundrio, por sua vez, reciclado e representa 20%

do total atualmente produzido.

CONSTITUIO E PROPRIEDADES DAS LIGAS DE ZINCO TRABALHADAS

As ligas de zinco utilizadas na forma de produtos semimanufaturados (chapas,

tiras, arames) apresentam caractersticas de fabricao de elevada conformabilidade

plstica (via estampagem, extruso, trefilao, etc.), de razovel soldabilidade (em geral,

soldagem branca com metais de baixo ponto de fuso) e de elevada resistncia

corroso.

As ligas de zinco convencionais possuem baixa resistncia fluncia, e para

aplicaes onde essa propriedade de resistncia importante os elementos de liga

indicados so o cobre e o titnio. O chumbo adicionado nas ligas convencionais porque

este elemento reduz a velocidade de corroso em aplicaes como, por exemplo, nos

recipientes de pilhas eltricas. O chumbo no entra praticamente em soluo com o zinco

e permanece, na solidificao, nos contornos de gros. O cdmio entra sem soluo

slida no zinco elevando a temperatura de recristalizao e a resistncia mecnica e de

fluncia. Os elementos contidos como impurezas podem causar efeitos adversos quando

ultrapassam o limite especificado; o ferro reduz a ductilidade, o estanho causa fragilidade

a quente e o alumnio promove a corroso intergranular; e ainda o cdmio e cobre,

apesar de adicionados em algumas ligas puras para elevar a resistncia mecnica,

causam reduo da ductilidade e o cobre, particularmente, provoca tambm reduo da

resistncia corroso.

As propriedades mecnicas dessas ligas so determinadas a partir de corpos de

prova retirados no sentido longitudinal e transversal da direo de trabalho mecnico

(laminao), para as condies de trabalho mecnico a quente e a frio e para uma

determinada espessura de trabalho (laminado). A Tabela 4 apresenta alguns valores

tpicos para as seis principais ligas. A liga superplstica apresenta, na condio laminada,

um limite de resistncia trao de 300 MPa e um alongamento de 27%, e na condio

recozida (315oC, resfriada ao ar) 400 MPa e 11% respectivamente.

Tabela 4 - Propriedades mecnicas para algumas ligas de zinco trabalhadas (Bresciani Filho, 1997).

CONSTITUIO E PROPRIEDADES DAS LIGAS DE ZINCO PARA FUNDIO:

As ligas de zinco usadas industrialmente para fundio sob presso so as

comercialmente chamadas "zamac". So ligas de zinco com alumnio, cobre e magnsio.

De todas as ligas no ferrosas para fundio sob presso, as ligas de zinco so as que

possuem maior campo de utilizao, devido as suas particulares propriedades fsicas,

meca nicas e de fundio, associadas a uma capacidade de poderem ser facilmente

revestidas por eletrodeposio (cobreao, niquelao e cromao) ou por pinturas com

tintas e vernizes.

Os seus baixos pontos de fuso (aproximadamente 385oC) conferem ao molde

permanente longa vida, permitindo a produo de grandes sries de peas fundidas. A

grande fluidez dessas ligas facilita a obteno de peas de formato complexo e de

paredes finas. Podem ser usadas tambm para a fundio por gravidade em moldes

permanentes. So metais de fcil usinagem. As duas ligas de uso comum tem as suas

composies indicadas na Tabela 5.

Tabela 5 - Composio qumica para ligas de zinco fundidas (Bresciani Filho, 1997).

O fator determinante da grande estabilidade das caractersticas mecnicas e

dimensionais das peas fundidas sob presso em ligas de zinco a pureza dos

componentes da liga. O zinco utilizado no preparo da liga do tipo "special high grade",

com teor mnimo de 99,97%. Os elementos de liga apresentam os seguintes efeitos:

Alumnio - o elemento adicionado em maior teor, por aumentar sensivelmente

a resistncia e a dureza da liga, bem como sua fluidez, permitindo a obteno de peas

fundidas de formatos complicados. Outra vantagem dessa adio de diminuir a ao

corrosiva do zinco lquido sobre as partes de ao da mquina e das ferramentas de

injeo. Entretanto, se o teor do alumnio for superior a 4,5%, a liga aproxima-se do ponto

euttico (a 5% de alumnio), reduzindo-se sua resistncia ao choque. Nessas condies,

a liga frgil, podendo fissurar durante as operaes de endireitamento ou conformao.

Por outro lado, se o teor do alumnio for inferior a 3,5%, a liga perde resistncia e dureza,

decrescendo tambm sua fundibilidade, o que torna difcil a obteno de peas de

formato complexo e de paredes finas.

Magnsio - apesar do teor de magnsio especificado ser relativamente pequeno,

este metal tem grande influncia nas propriedades das ligas de zinco para fundio sob

presso. Sendo o magnsio mais eletronegativo que o zinco, inibe a corroso

intergranular da liga e, associando-se ao euttico do chumbo, cdmio e estanho nos

contornos dos gros reduz a diferena de potencial entre o zinco e o euttico. Entretanto,

aconselhvel manter o teor de magnsio abaixo de 0,06% pois este metal tende a

provocar "fragilidade a quente" na pea fundida, particularmente quando esta de

formato complicado e no existe espao suficiente na ferramenta para permitir a sua

contrao.

Cobre - A adio de cobre aumenta a resistncia corroso, a resistncia

mecnica e a dureza da liga. Entretanto, o teor no deve exceder a 1,25%, pois, acima

deste, a liga torna-se instvel por ficar sujeita ao "envelhecimento", reduzindo-se

sensivelmente, sua resistncia ao choque. Um teor de cobre acima de 0,6% j provoca o

fenmeno da precipitao, o qual afeta a estabilidade dimensional da pea. Apesar do

zamac 5 ter o teor de cobre fixado em 1%, as mudanas dimensionais no so grandes e

ocorrem poucas semanas aps a fundio; a menos que a pea seja relativamente

grande ou requeira tolerncias dimensionais muito estreitas, as alteraes dimensionais

podem ser consideradas desprezveis. Para aplicaes que exigem alta preciso

dimensional da pea, a liga zamac 3, isenta de cobre, deve ser usada.

Microestrutura- tomando como exemplo a liga zamac 3, contendo 4% de

alumnio, observa-se que a estrutura da liga constituda, aps completa a solidificao,

por cristais (hexagonais) primrios da fase rica em zinco (98,86% Zn), envolvidos por

uma matriz euttica, consistindo dessa mesma fase e de uma segunda fase (cristais

cbicos) rica em alumnio (17,2% Al). No resfriamento da liga, essas duas fases

precipitam o excesso do soluto e, a 272oC, suas composies so, respectivamente,

99,3% Zn - 0,70% Al e 78% Zn - 22% Al. Nessa temperatura a fase rica em alumnio sofre

uma transformao eutetide, decompondo-se em duas fases de composio 99,3% Zn -

0,70% Al e 31,6% Zn - 68,4% Al, respectivamente. A fase rica em alumnio do eutetide

resfria-se at a temperatura ambiente, retendo um excesso de zinco em soluo, porm a

fase rica em zinco e os cristais primrios ricos em zinco continuam a precipitar o alumnio

at a temperatura ambiente e, posteriormente, por cerca de trs anos, at que

permanea em soluo 0,04% de alumnio. Apesar das estruturas das ligas diferirem em

funo da variao das quantidades dos elementos de liga presentes, a estrutura bsica,

descrita acima, permanece praticamente inalterada.

Impurezas- as impurezas chumbo, cdmio e estanho esto invariavelmente

associadas ao minrio de zinco e, dessa forma, permanecem em uma certa quantidade

no metal zinco. Entretanto, desde que mantidas dentro dos limites especificados,

possvel obter um metal de alta qualidade, adequado fabricao de ligas para fundio

sob presso. Essas impurezas so metais de alta densidade e baixo ponto de fuso;

praticamente, no formam solues slidas com o zinco, criando, porm, eutticos com o

zinco de muito baixo ponto de fuso. Portanto, se as impurezas chumbo, cdmio e

estanho estiverem presentes na liga, sero as ltimas a se solidificarem, segregando-se

nos contornos dos gros. Essa rede de metais, relativamente mais nobres que o zinco,

ao longo dos contornos dos gros do zinco (que contm tambm alumnio ligado), produz

um grande nmero de clulas eletroquimicamente ativas, quando a superfcie do metal

entra em contato com a umidade ambiente. Ento, o zinco, mais eletronegativo e

imediatamente adjacente ao contorno do gro, atacado , dando origem corroso

intergranular. A corroso intergranular, nesse caso, inicia na superfcie da pea fundida,

penetrando, com o decorrer do tempo, cada vez mais profundamente e seguindo os

contornos dos gros, at que toda a pea seja corroda.

Outros metais que provocam efeito semelhante, tais como: ndio, tlio, bismuto,

mercrio e outros, usualmente no esto presentes como impurezas. O chumbo, o

estanho, particularmente, o cdmio, acima dos teores especificados, provocam tambm

"fragilidade a quente" na pea fundida. O ferro um elemento indesejvel nas ligas de

zinco para fundio sob presso, porm pequenos teores (de at 0,1%) tm pouca

influncia nas propriedades mecnicas e nas caractersticas de envelhecimento. Com um

teor de ferro mais elevado, os compostos intermetlicos ferro - alumnio (FeAl3, Fe2Al5

),

que, se no retirados na escumagem. do banho no cadinho, segregam na pea fundida e

criam os chamados "pontos duros", causadores de dificuldades na usinagem.

RESISTNCIA CORROSO DAS LIGAS DE ZINCO:

As ligas zamac da mesma forma que o zinco puro, possuem elevada resistncia

corroso por agentes atmosfricos, (em ambiente de umidade no muito elevado),

hidrocarbonetos (gasolina, leos), lcool, tricloroetileno e outros. Entretanto, so

atacadas por bases fortes e cidos. As peas de zamac no devem tambm manter

contato constante com vapores d'gua, pois, a longo prazo, podem sofrer um processo

corrosivo. No caso onde intervm a gua em circuitos fechados, a adio de inibidores

pode proporcionar bons resultados; por exemplo, a adio de 0,1 a 0,3% de bicromato de

sdio ou 1% de boro gua reduz sensivelmente a suscetibilidade do zamac corroso.

Tabela 6 - Propriedades mecnicas do zamac 3 e 5.

As propriedades de trao (limite de resistncia e alongamento) foram

determinadas em corpos de prova de seo circular de 6 mm, fundidos sob presso e

ensaiados no estado bruto de fuso. O comprimento calibrado para a determinao do

alongamento de 50 mm.

As ligas de zinco podem ser utilizadas em baixas temperaturas, pois suas

propriedades mecnicas so alteradas da mesma forma que ocorre em outros materiais;

ou seja, aumentam o limite de resistncia e a dureza, enquanto diminuem o alongamento

e a resistncia ao choque. Deve-se entretanto, considerar que essas variaes de

propriedades so reversveis, adquirindo o material as mesmas propriedades originais

quando a temperatura retorna ao seu valor inicial. Por outro lado, quando a pea fundida

em zamac deve trabalhar em temperaturas superiores a 90oC, deve-se prever,

cuidadosamente, as solicitaes mecnicas aplicadas, pois podero ocorrer deformaes

plsticas (e, portanto, irreversvel), devido ao fenmeno de fluncia.

USOS TPICOS DAS LIGAS DE ZINCO

O zamac 3 recomendado para as peas que devem apresentar mais

estabilidade dimensional; alm disso essa liga apresenta maior resistncia corroso. O

zamac 5, por sua vez, apresenta maior dureza e resistncia mecnica, e

conseqentemente maior resistncia ao desgaste e fluncia; a usinabilidade dessa liga

tambm maior do que a primeira.

A pelcula formada pela oxidao superficial nessas ligas tem caractersticas

porosas, o que contribui para reter lubrificantes e elevar a resistncia do desgaste em

peas mveis.

As principais reas de aplicao, com ou sem revestimento superficial

dependendo do emprego especifico, so: componentes de automveis (carcaas de

instrumentos, do alternador e de bombas; maanetas, buchas e engrenagens de

instrumentos, tampas do tanque, etc.), componentes de aparelhos eletrodomsticos

(carcaas de motores, engrenagens, dobradias, etc.), componentes de mquinas de

escritrio e de computao, brinquedos e ferragens de construo civil diversas.

BIBLIOGRAFIA

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