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Conversa Inicial
Olá, seja bem-vindo! Nesta segunda aula aprenderemos sobre as ligas metálicas não ferrosas, mais especificamente ligas de cobre, de alumínio, de chumbo, de zinco e de estanho.
Introdução
As ligas metálicas não ferrosas são de extrema importância, devido a suas utilizações nas aplicações em que as ligas ferrosas não possuem atributos, permitindo-lhes serem usadas.
As principais ligas não ferrosas são ligas de cobre, de alumínio, de zinco, de níquel e de titânio. Apresentaremos estas ligas dentro dos mesmos critérios abordados para as ligas metálicas ferrosas, portanto começaremos pelas ligas de cobre.
Figura 1 – Ligas não ferrosas.
Tema 01: Ligas de Cobre
O metal cobre, por suas características, das quais se destacam a segunda melhor condutibilidade térmica e elétrica (ficando atrás apenas da prata), sua maleabilidade, resistência mecânica e a fadiga, usinabilidade e resistência a corrosão, é usado em várias aplicações de engenharia, principalmente na indústria elétrica e de construção civil.
Figura 2 — Cobre e suas ligas.
Este metal é classificado pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) conforme seus processos de fabricação.
Liga Cobre-Zinco-Latão
Latão é uma liga de cobre e zinco tendo teores de zinco que variam de 5% a 50%. Possui estrutura CFC, devido a matriz de cobre, com Zinco sendo introduzido como inclusão substitucional. O zinco interfere nas propriedades do cobre, diminuindo sua resistência a corrosão, sua condutibilidade térmica e elétrica, mas aumenta sua resistência mecânica.
Figura 3 — Estrutura cristalina latão.
O diagrama de fases da liga Cu-Zn apresenta regiões representativas das ligas citadas. Na região de 5%Zn até 40%Zn, presentes na região de fase α e na região de composição de fases α e β. A fase α é uma fase CFC, com até 37% de Zn presente em solução sólida no cobre. A fase β é uma fase de estrutura ccc, contendo de 45,5% até 50,5% de Zn em solução sólida no cobre. A fase α , portanto é mais rígida que a fase β.
Figura 4 — Diagrama de Fases Cu-Zn.
O tratamento térmico de recozimento para latões com teores de Zn até 30% provoca um aumento na resistência a tração, mas também na ductilidade. Também se faz o tratamento mecânico de encruamento, que é o aumento da dureza gerado pela deformação plástica a frio.
Figura 5 — Metalografia latão após recozimento.
O diagrama de fases da liga Cu-Sn apresenta regiões representativas das ligas citadas. Na região de 2%Sn até 10%Sn, presentes na região de fase. A fase α é uma fase CFC, com até 11% de Sn presente em solução sólida no cobre. Nesta fase pode ser adicionado o Pb para diminuir sua rugosidade superficial, diminuindo efeito de atrito, aumentando suas propriedades lubrificante.
Figura 6 — Diagrama de Fases Cu-Sn.
O tratamento térmico de recozimento para ligas cobre estanho não são viáveis, pois mesmo o endurecimento por precipitação leva a um aumento não significativo em suas propriedades mecânicas. Também não necessita de tratamento de alívio de tensão pois é uma liga bastante maleável.
Figura 7 — Metalografia Bronze
O diagrama de fases da liga Cu-Ni apresenta regiões representativas das ligas citadas. Na região de 5%Zn até 45%Ni está presente apenas a fase α. A fase α é uma fase CFC, idêntica a da matriz de cobre. Porém terá uma dureza maior, em função da adição de Ni.
Figura 8 — Diagrama de Fases Cu-Ni.
O tratamento térmico mais usado em ligas Cobre Níquel é o tratamento de Homogeneização, para dissolver segregação de elementos em determinados locais e promover, por difusão, sua distribuição de modo mais uniforme por todo o material.
Também é feito recozimento com o propósito de amolecer um material encruado como consequência do trabalho mecânico.
Figura 9 — Metalografia liga Cu-Ni.
Tema 02: Ligas de Alumínio
O metal alumínio, pela abundância de seu minério, por apresentar boa condutividade térmica e elétrica, por ser não-magnético e por ter baixo peso específico, é o segundo mais importante metal, ficando apenas atrás do ferro. É usado em várias aplicações de engenharia, principalmente na indústria elétrica e veículos automotivos e de aeronaves. Conforme seus processos de fabricação são classificados pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).
Figura 10 — Alumínio.
O melhor exemplo de tratamento térmico de solubilização seguida pelo endurecimento por precipitação, pode ser dado analisando o diagrama de fases da liga 2024, basicamente uma liga Al-Cu. Se aquecer uma liga contendo, por exemplo, 4,5%Cu a uma temperatura de 550ºC, irá formar a fase k’ que é uma solução sólida de Cu em Al. Resfriando bruscamente em água ou a uma velocidade maior, ao ar, o cobre não consegue precipitar, formando um complexo de CuAl2, que precipitará aumentando a resistência mecânica da liga, mas mantendo sua conformabilidade.
Figura 11 — Diagrama de fases Al-Cu.
O gráfico ao lado apresenta uma relação entre o encruamento e a variação das propriedades mecânicas. Observe que o encruamento atua diretamente o limite de resistência a tração e inversamente no alongamento.
Figura 12 — Gráfico relacionando encruamento com alongamento e limite de resistência a tração.
Chumbo-Estanho
O Chumbo refinado possui pureza de 99,5% a 99,99%, ponto de fusão 327ºC, densidade 11,34 g/cm³ segue a especificação ASTM B 29-55, contendo de 0,01% a 0,05% de impurezas em sua composição, entre elas: Bismuto, Cobre, Ferro, Prata e Antimônio.
É muito utilizado na fabricação de solda branca, para revestimento de cabos de tensão e mais regularmente como contrapeso.
Figura 13 — Lingotes de chumbo refinado.
Chumbo Refinado
A liga chumbo-estanho é uma liga contendo de 18% a 50% de estanho, com ponto de fusão em torno de 300ºC. As ligas com menor teor de Sn são empregadas em soldas de lâmpadas. As de maior teor são empregadas em soldas para tubos.
No diagrama de fases ao lado se observa a presença das fases ∝ e β, sendo a fase alfa uma solução sólida de Sn em Pb de estrutura CFC e a fase beta uma solução sólida de Pb em Sn de estrutura tetragonal, com FE menor.
Figura 14 — Diagrama de fases Pb-Sn.
Tema 04: Ligas de Estanho
O estanho é um metal de estrutura tetragonal. O estanho (Sn) também possui duas formas alotrópicas. No estanho branco ou estanho beta a ligação de formação é mista contendo metálica e covalente e a estrutura cristalina é tetragonal de corpo centrado, com dois átomos por ponto da rede. A outra forma é o estanho cinza ou estanho alfa.
Figura 15 — Estruturas cristalinas do Sn.
O estanho alfa possui estrutura cristalina cúbica e é um semicondutor. É bastante dúctil e maleável, com ponto de fusão abaixo de 240ºC, excelente resistência a corrosão e boa soldabilidade. Porém, apresenta baixa resistência mecânica. É usado na forma de folhas, chapas e fios, constituindo também a base de muitas ligas, desde o bronze até ligas para soldas e mancais.
Estanho Refinado
Conforme especificação da ABNT EB-173, pode ter pureza de 99%Sn a 99,95%Sn, sendo este último chamado estanho eletrolítico.
Sua principal aplicação está na estanhação, por eletrodeposição, em lâminas de aços, gerando as folhas de flandres, usadas em latas de bebidas ou de alimentos, devido à alta resistência a corrosão principalmente microbiológica. Também é usado em dispositivos de segurança contra incêndio, pelo seu baixo ponto de fusão.
Figura 16 — Aplicação folha de flandres.
Estanho–Chumbo
A liga estanho-humbo, contém de 35%Pb a 40%Pb. É usada para soldas de componentes que necessitam de solda viscosa e fluida, como componentes de equipamentos elétricos e eletrônicos. Nessa faixa contém as mesmas fases já comentadas na liga Pb-Sn. Só que neste caso prevalecerá a fase beta, mais maleável que a fase alfa.
Figura 17 — Diagrama de fases Sn-Pb.
Tema 05: Ligas de Zinco
O zinco é um metal de estrutura hexagonal compacta. Possui ponto de fusão próximo a 420ºC e boa resistência a corrosão. É muito maleável, podendo ser laminado em chapas ou estirado em fios por extrusão.
Figura 18 — Cataforese.
É usado principalmente como proteção anticorrosiva, seja pela deposição eletroquímica em chapas e componentes de máquinas, seja como primer em pintura protetiva contra a corrosão e em cataforese de veículos automotivos. Também é usado como elemento de liga nos latões, ligas para fundição sob pressão e como pigmento na indústria de tintas.
Zinco-Cobre
A liga zinco-cobre contém duas fases intermediárias, γ e ∈, sendo que a fase γ é uma fase de estrutura cúbica de face centrada de Cu5Zn8, que é a fase mais dura e mais frágil da liga. A fase ∈ é uma fase de estrutura CCC mais maleável.Estas fases ficam entre 59,8%Zn a 87,5%Zn no diagrama de fases ZnCu.
Figura 19 — Diagrama de Fases Cu-Zn.
