PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS AULA 09: MATERIAIS NÃO FERROSOS Prof. Iran Aragão

OBJETIVO DA AULA Ao final desta aula, você deverá: Conhecer as principais aplicações industriais das ligas de Alumínio e Cobre

INTRODUÇÃO

MATERIAIS NÃO FERROSOS ALUMÍNIO O alumínio é um metal leve (2,7 kgf/dm³), macio, porém resistente, de aspecto cinza prateado e fosco, não é tóxico (como metal),  não cria faíscas quando exposto a atrito. É um metal muito maleável e muito dúctil, tornando-se apto para a mecanização e para a fundição, além de ter uma excelente resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido.

MATERIAIS NÃO FERROSOS ALUMÍNIO Com excelente laminação, o alumínio é um metal considerado comercialmente puro com teores de 99,0%, apresentando baixa dureza e uma boa fusibilidade.

MATERIAIS NÃO FERROSOS ALUMÍNIO Sua leveza, condutividade elétrica, resistência à corrosão lhe conferem uma multiplicidade de aplicações, especialmente na aeronáutica. Entretanto, a elevada quantidade de energia necessária para a sua obtenção reduzem, sobremaneira, o seu campo de aplicação.

MATERIAIS NÃO FERROSOS ALUMÍNIO Mesmo sendo a bauxita o minério mais fácil para a obtenção desse metal, o processo de transformação exige muita energia, sendo a proporção 1 : 14 000, ou seja, para cada 1 tonelada de alumínio extraído, necessita-se de 14 000 KWH de energia elétrica. Daí, tira-se a necessidade urgente de reciclagem do alumínio já produzido, pois a demanda energética é 95% menor, além de que, para se decompor na natureza, são necessários em torno de 400 anos.

MATERIAIS NÃO FERROSOS ALUMÍNIO Devido à elevada afinidade para o oxigênio, não é costume encontrá-lo como substância elementar, mas, sim, em formas combinadas tal como o óxido o baixo custo para a sua reciclagem aumenta o seu tempo de vida útil e a estabilidade do seu valor

MATERIAIS NÃO FERROSOS ALUMÍNIO A maior parte do alumínio produzido atualmente é extraído da bauxita os Estados Unidos e o Canadá são os maiores produtores mundiais de alumínio. O Brasil tem a terceira maior reserva do minério no mundo, localizada na região amazônica.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO Excelente maquinabilidade: elevada velocidade de corte, reduzidos tempos e baixos custo de maquinação. Grande resistência à Corrosão. Excelente condutibilidade Térmica e Elétrica. Resistência Mecânica variando de 9 a 70kgf/mm2. Algumas ligas são mais resistentes que o aço, o que favorece ao projetista na análise da relação Peso-Resistência.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO Elementos de Liga: Cobre, Manganês, Magnésio, Silício, Zinco e Níquel Apresentam elevada resistência mecânica, ótima condutibilidade térmica e elétrica e permitem bom acabamento superficial, aceitando revestimento protetores.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO Entre as de maior interesse industrial, cabe mencionar o duralumínio, formado por 93,2 a 95,5% de alumínio, cobre, manganês, magnésio e, em alguns tipos, silício; as ligas de alumínio e magnésio, tem seu uso graças à sua elevada resistência à corrosão e soldabilidade; e as ligas de alumínio e silício, devido à sua elevada resistência mecânica e peso reduzido, também usado na fabricação de componentes elétricos.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO As ligas de alumínio podem ser empregadas para: Laminação Forjamento Fundição Essas ligas são designadas por números característicos de sua composição seguidos geralmente pelas letras: H para tratamentos mecânicos. T que indicam o tratamento térmico.

NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA DAS LIGAS DE ALUMÍNIO Não há um padrão reconhecido internacionalmente. Geralmente o simbolismo para ligas trabalhadas é distinto daqueles de fundição NORMAS: Alcan, ASTM, DIN, ABNT, AA

NOMENCLATURA ALLUMINUM ASSOCIATION (AA) e ASTM PARA LIGAS TRABALHADAS XXXX X1 elemento majoritário da liga X2 zero se é liga normal 1, 2 e 3 indica uma variante específica da liga normal (como teor mínimo e máximo de um determinado elemento) X3 e X4 são para diferenciar as várias ligas do grupo. São arbitrários

NOMENCLATURA ALLUMINUM ASSOCIATION (AA) e ASTM PARA LIGAS TRABALHADAS Alumínio >99% de pureza  1XXX Cobre  2XXX Manganês  3XXX Silício  4XXX Magnésio  5XXX Magnésio e Silício  6XXX Zinco  7XXX Outros elementos  8XXX

NOMENCLATURA ALLUMINUM ASSOCIATION (AA) e ASTM PARA LIGAS TRABALHADAS Alumínio não ligado  1000 O segundo algarismo indica modificações nos limites de impurezas Os dois últimos algarismos representam os centésimos do teor de alumínio Ex: 1065  Al com 65% de pureza

NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA DAS TRANSFORMAÇÕES ESTRUTURAIS LIGAS TRABALHADAS “F” não sofreu tratamento nenhum “O” sofreu recozimento para recristalização para eliminar o encruamento “H” ligas que sofreram tratamento mecânico para encruamento “T” ligas que sofreram tratamento térmico “W” solubilizada e estocada

NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA DAS TRANSFORMAÇÕES ESTRUTURAIS LIGAS TRABALHADAS “H” LIGAS QUE SOFRERAM TRATAMENTO MECÂNICO PARA ENCRUAMENTO HXX X1 = refere-se as operações sofridas  1, 2(recozimento parcial), 3 (estabilizado) X2 = dá o grau de encruamento  2,4,6,8

NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA DAS TRANSFORMAÇÕES ESTRUTURAIS LIGAS TRABALHADAS 2  1/4 duro 6  3/4 duro 4  1/2 duro 8  duro “H12” 1/4 duro (menor redução em área no trabalho a frio) “H14” 1/2 duro (menor redução em área no trabalho a frio) “H16” 3/4 duro (menor redução em área no trabalho a frio) “H18 duro (75 % de redução em área) “H19” extra-duro (redução intensa em área) “H22, H24” encruado e depois recozido parcialmente “H32, H34” encruado e então estabilizado

SIMBOLOGIA PARA LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE T1 Esfriada de uma temperatura elevada de um processo de conformação mecânica e envelhecida naturalmente. T2 Recozida (ligas de fundição) T3Tratada termicamente para solubilização e então trabalhada a frio. T4 Tratada termicamente para solubilização e então envelhecida a temperatura ambiente. T5 Envelhecida artificialmente (sem TT). Apenas esfriado do estado de fabricação.

SIMBOLOGIA PARA LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE T6Tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente T7 Tratado por solubilização e então estabilizado. T8 Tratado por solubilização, trabalhado a frio e envelhecido artificialmente T9 Tratado por solubilização envelhecido artificialmente e encruado por trabalhado a frio. T10Envelhecido artificialmente (sem tratamento prévio) e trabalhado a frio.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO (SOLDAGEM) O alumínio apresenta diferenças de propriedades físicas e químicas que levam a diferenças de sua soldagem em comparação com a dos aços: Elevado: Afinidade pelo oxigênio. Condutividade térmica. Coeficiente de expansão térmica Baixo: Ponto de fusão (660ºC)

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO (SOLDAGEM) Na soldagem de alumínio, o uso de preaquecimento e de um maior aporte térmico é comum na soldagem de juntas de maior espessura para garantir a formação da poça de fusão e evitar problemas de falta de fusão. O preaquecimento na soldagem do alumínio não deve ser superior a 205ºC

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO (SOLDAGEM) Os principais problemas metalúrgicos de soldabilidade do alumínio e suas ligas são a formação de porosidade pelo H2, a formação de trincas de solidificação e a perda de resistência mecânica.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO (SOLDAGEM) Os processos mais usados são: MIG/MAG TIG

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO (SOLDAGEM - TIG) A soldagem TIG é usada principalmente para juntas de menor espessura. Os gases de proteção usuais são argônio, Hélio ou misturas de ambos. Maiores teores de Hélio permitem uma melhor fusão do metal de base, mas causam redução da estabilidade do processo e da remoção de óxido da superfície da junta.

MATERIAIS NÃO FERROSOS LIGAS DE ALUMÍNIO (SOLDAGEM - MIG/MAG) O processo MIG/MAG é mais usado para juntas de maior espessura, apresentando velocidade de soldagem muito superior ao processo TIG. Outros processos usados na soldagem do alumínio são a soldagem com eletrodo revestido, o plasma, soldagem a gás e os processos de soldagem por resistência

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE O cobre é um metal de aparência avermelhada e ponto de fusão 1083°C. É obtido da natureza em seu estado nativo (in natura) ou a partir de minérios. Possui estrutura cristalina: CFC Esses minérios podem ser oxidados ou sulfetados.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE Cuprita: Cu + O Calcosita: Cu + S Calcopirita: Cu + Fe Para a obtenção do Cobre através da cuprita, que é um mineral oxidado, é necessário reduzir o minério em forno de cuba ALTO FORNO é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido – gusa - a partir de minério granulado e coque.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE Na obtenção do cobre a partir da calcosita e calcopirita, que são os minerais sulfurados, é preciso eliminar o enxofre através do processo de ustulação Ustulação: processo de produção de um metal a partir de um minério sulfetado, através da passagem de uma corrente de ar em um ambiente muito aquecido

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE Nessas condições, ocorre uma reação entre o enxofre do minério com o oxigênio do ar, liberando, assim, o metal ou produzindo uma forma oxidada que passa por processo posterior de redução. A ustulação dos sulfetos é realizada normalmente em uma temperatura abaixo do ponto de fusão das duas fases sólidas envolvidas, usualmente abaixo de 900-1000ºC.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE Reação a partir do minério calcopirita: 4CuFeS2(s) + 9O2(g) → 2Cu2S(s) + 2Fe2O3(s) + 6SO2(g)

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE a partir do minério calcopirita: 1 - Elevada condutividade térmica 2 - Elevado coeficiente de expansão térmica 3 - Tendência a se tornar frágil a altas temperaturas 4 - Ponto de fusão baixo 5 - Baixa viscosidade do metal fundido 6 - Elevada condutividade elétrica 7 - Resistência mecânica baseada no encruamento

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE (LIGAS NOBRES) É a denominação que se aplica às ligas de cobre com baixo teor de liga, ou seja, aquelas nas quais os teores de todos os elementos de liga somados não ultrapassam 2%. A função desses elementos, como o cádmio e o cromo, é aumentar a resistência mecânica do cobre sem reduzir muito sua condutividade elétrica. Em alguns casos, são necessários tratamentos térmicos para aumentar a resistência mecânica dos cobres ligados.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE PRATA TENAZ O cobre prata tenaz contém de 0,02 a 0,12% de prata que pode ser adicionada intencionalmente ou estar naturalmente contida na matéria-prima e possui uma estrutura homogênea já que, para esses teores, a prata permanece totalmente solubilizada no cobre. Esse cobre ligado possui resistência mecânica e à fluência - em temperaturas relativamente elevadas.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE PRATA TENAZ A adição de prata não afeta a condutividade elétrica. Na construção elétrica, além de boa condutividade, exige-se alta resistência ao amolecimento pelo aquecimento e, também, a manutenção em altas temperaturas da resistência mecânica obtida pelo encruamento, pois essas temperaturas elevadas podem ser atingidas tanto devido às condições de funcionamento da peça como devido à aplicação de processos de soldagem.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE PRATA TENAZ Em decorrência dessas características, esse cobre ligado pode ser usado na construção mecânica, especificamente na fabricação de aletas de radiadores de automóveis e outros trocadores de calor.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRE PRATA ISENTO DE OXIGÊNIO Cobre prata isento de oxigênio possui características muito semelhantes às do cobre prata tenaz, com a diferença de que pode ser aquecido em ambientes com atmosferas redutoras sem sofrer fragilização pelo hidrogênio.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA O Cobre-Arsênio contém arsênio em teores de 0,013 a 0,050% que tanto pode ser adicionado intencionalmente quanto pode estar presente como impureza proveniente da matéria-prima. A presença do arsênio não só favorece o aumento da resistência mecânica em temperaturas elevadas, como também aumenta a resistência à corrosão em determinados ambientes.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA Cobre – Arsênio: É utilizado na construção química para a fabricação de equipamentos e tubulações industriais que estão em contato com líquidos e gases relativamente corrosivos e a temperaturas não muito elevadas. Na construção mecânica, é usado em trocadores de calor, entretanto, sua baixa condutividade elétrica inviabiliza seu uso na construção elétrica.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA Cobre - Cromo: pode ter suas propriedades mecânicas melhoradas por tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, endurecendo por precipitação. Condutividade elétrica é relativamente elevada, possuindo resistência ao amolecimento quando sujeito a temperaturas de até 400ºC. É usado na construção elétrica em eletrodos de soldagem por resistência elétrica, chaves comutadoras e conectores.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA Cobre - Cromo: na construção mecânica, é usado na fabricação de moldes e em aplicações nas quais se exige resistência mecânica e condutividade elétrica. O tratamento térmico de solubilização e envelhecimento combinado com deformação plástica (encruamento), permitem obter dureza e resistência mecânica ainda mais elevadas do que as obtidas com o tratamento térmico tradicional sem deformação. São os tratamentos termomecânicos.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA Cobre - Zircônio: O Cobre–Zircônio (Cu-Zr) isento de oxigênio e, portanto, não suscetível à fragilização pelo hidrogênio. Este cobre ligado possui propriedades semelhantes às do Cu-Cr, porém níveis de resistência mecânica mais elevados, particularmente no que diz respeito à resistência ao amolecimento e à fluência.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA Cobre - Zircônio: A solubilização é realizada em temperaturas da ordem de 900 a 980ºC e, após resfriamento rápido, o envelhecimento é realizado em temperaturas de 400 a 450ºC, em tempos de 1 a 2 horas, sendo que, entre a solubilização e o envelhecimento, pode ser realizada a deformação a frio em níveis de até 90% de redução em área ou em espessura.

MATERIAIS NÃO FERROSOS COBRES LIGADOS DE ALTA RESISTÊNCIA USINABILIDADE Cobre – Telúrio Cobre – Enxofre Cobre - Chumbo

Bom Estudo! Até a próxima aula!