UNIFACS Materiais Metálicos

Apresentação em tema: "UNIFACS Materiais Metálicos"— Transcrição da apresentação:

1 UNIFACS Materiais Metálicos
AULA 6 Ligas Não Ferrosas Lucas Nao Horiuchi 23/Abr/10

2 Ligas Não Ferrosas Cobre e ligas Latões Bronzes Alumínio
Outros: Magnésio e Titânio

3 Aula de HOJE

4 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.

5 Metais Não-Ferrosas 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

6 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 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

11 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

12 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);

13 Latões 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.

14 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.

15 Comparando aos latões, os bronzes:
São ligas de alto preço; Tem melhores características mecânicas; Apresentam melhor trabalhabilidade e capacidade de conformação;

16 Principais especificações de bronzes para equipamentos de processo
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

17 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;

18 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;

19 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

20 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)

21 Densidade do Al

22 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).

23 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.

24 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

25 Áreas aplicações alumínio e produtos
Os principais setores que consomem alumínio são: Bens de consumo Transporte Construção Civil Embalagens Indústria Elétrica Outros setores.

26 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.

27 Áreas aplicações alumínio e produtos
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.

28 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.

29 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

30 Áreas aplicações alumínio e produtos
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Áreas aplicações alumínio e produtos Perfis extrudados Chapas e laminados Folhas Fios e Cabos Fundidos e Forjados Pastas e pó Aluminas especiais

31 Áreas aplicações alumínio e produtos
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        Áreas aplicações alumínio e produtos

32 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.

33 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.

34 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 8XXX Outras ligas (Al-Li, Al-Fe...) Várias

35 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Série Composição Química Aplicações principais
1XX.X Al 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.X Não existe este sistema Não especificado por não existir este sistema 7XX.X Al-Zn e Al-Zn-Mg 8XX.X Al-Sn Várias, para ligas com baixo ponto de fusão

36 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

37 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Fundição Trabalho mecânico Tratáveis
termicamente Não tratáveis termicamente – endurecimento por encruamento Série 2xxx - Al-Cu Série 6xxx - Al-Mg-Si Série 7xxx - Al-Zn Série 1xxx Série 3xxx - Al-Mn Série 4xxx - Al-Si Série 5xxx - Al-Mg Série 1xx.x - Al-puro Série 2xx.x - Al-Cu Série 3xx.x - Al-Si-Mg .

38 Tratamento térmico Alívio de tensões
Recozimento para recristalização e homogeneização Solubilização Precipitação ou envelhecimento

39 Tratamento térmico Alívio de tensões: - T= 130-150°C
- Tempo depende da espessura da peça. Recozimento p/ recristalização e homogeneização: - T= °C - Recristalização: para ligas laminadas, extrudadas - Homogeneização: peças fundidas (para difundir os microconstituintes). Solubilização: - Dissolve as fases microscópicas. - Temperatura= depende da liga.

40 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.

41 Ambiente por reaquecimento
Tratamento térmico Solubilização Ou envelhecimento que pode ser natural ou artificial Resfriamento em água A ppt se dá acima da T Ambiente por reaquecimento Precipitação A ppt se dá a T ambiente

42 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

43 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.

44 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

45 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.

46 Ligas Al-Mg Série 5XXX Melhor combinação entre resistência mecânica, resistência a corrosão e ductilidade. Boa soldabilidade Usada em grande escala na Indústria Naval

47 Ligas Al-Mg-Si Série 6XXX Facilidade de Extrusão (Elevada Dutilidade)
Endurecimento por precipitação Mais usada comercialmente Potencial de aplicação na indústria automotiva

48 7001 - maior resistência mecânica de todas as ligas.
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 maior resistência mecânica de todas as ligas.

49 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

50 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.

51 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.

52 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)

53 Ligas de Al para fundição:
Menor qtde de H2 dissolvido

54 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;

55 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, e 413;

56 Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição por molde de areia Molde: areia (sílica) e ligantes (bentonita) ou resinas sintéticas;

57 Ligas de Al para fundição:
Processo de fundição em baixa pressão

58 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

59 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.

60 Anodização Espessura Aplicação 11 a 15µm Urbana/rural 16 a 20µm
litorânea 21 a 25µm Industrial/marítima 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:

61 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.

62 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.

63 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.

64 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.

65 Outras Ligas Não Ferrosas
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.

66 Obrigado pela atenção!! Dúvidas?