Tecnologia_dos_materiais3

EIXO TEMTICO TECNOLOGIA DE MATERIAISUNIDADE 3 MATERIAIS NO FERROSOSFlorianpolis, maro de 2003

Prof. Cludio Roberto Losekann

CEFETSC GERNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECNICA Tecnologia dos Materiais

NDICE ANALTICO

NDICE ANALTICO ......................................................................................................................................... II NDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................ V 1 - INTRODUO................................................................................................................................................ 1 2 - ALUMNIO E SUAS LIGAS .......................................................................................................................... 6 2.1 - INTRODUO.......................................................................................................................................... 6 2.2 - PRODUO DE ALUMNIO ................................................................................................................... 7 2.3 - PRODUO DE P DE ALUMNIO ....................................................................................................... 9 2.3.1 - APLICAES DO P DE ALUMNIO ............................................................................................. 9 2.4 - VANTAGENS DA UTILIZAO DO ALUMNIO ............................................................................... 10 2.5 - PROPRIEDADES DO ALUMNIO E SUAS LIGAS............................................................................... 10 2.5.1 - ALUMNIO ....................................................................................................................................... 10 2.5.2 - LIGAS DE ALUMNIO ..................................................................................................................... 142.5.2.1 - Liga de Al-Cu .............................................................................................................................................15 2.5.2.2 - Liga de Al-Mg (alumag) .............................................................................................................................15 2.5.2.3- Liga de Al-Mn..............................................................................................................................................16 2.5.2.4- Liga de Al-Si................................................................................................................................................17

3 - COBRE E SUAS LIGAS ............................................................................................................................... 21 3.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 21 3.2 - PRODUO DE COBRE ........................................................................................................................ 23 3.3 - PROPRIEDADES DO COBRE E SUAS LIGAS ..................................................................................... 26 3.3.1 - COBRE ............................................................................................................................................. 26 3.3.2 - LIGAS DE COBRE ........................................................................................................................... 293.3.2.1 - Lato ...........................................................................................................................................................29 3.3.2.2 - Bronze.........................................................................................................................................................36 3.2.2.3 - Ligas de cobre-alumnio..............................................................................................................................42 3.2.2.4 - Cupronquel.................................................................................................................................................45 3.2.2.5 - Ligas de cobre e berlio ...............................................................................................................................48 3.2.2.6 - Ligas de cobre e silcio................................................................................................................................49

3.3.3 - NORMALIZAO DAS LIGAS DE COBRE .................................................................................... 49 4 - NQUEL E SUAS LIGAS.............................................................................................................................. 51 4.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 51 4.2 - PROPRIEDADES DO NQUEL E SUAS LIGAS.................................................................................... 51 4.2.1 - NQUEL............................................................................................................................................ 51 4.2.2 - LIGAS DE NQUEL.......................................................................................................................... 53 PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

II

CEFETSC GERNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECNICA Tecnologia dos Materiais4.2.2.1 - Ligas de nquel e berlio..............................................................................................................................54 4.2.2.2 - Ligas de nquel e cromo ..............................................................................................................................54 4.2.2.3 - Ligas de nquel e molibdnio ......................................................................................................................54

5 - COBALTO E SUAS LIGAS ......................................................................................................................... 55 5.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 55 5.2 - PROPRIEDADES DO COBALTO E SUAS LIGAS................................................................................ 55 5.2.1 - COBALTO ........................................................................................................................................ 55 5.2.2 - LIGAS DE COBALTO ...................................................................................................................... 56 6 - TITNIO E SUAS LIGAS ............................................................................................................................ 57 6.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 57 6.2 - PROPRIEDADES DO TITNIO E SUAS LIGAS................................................................................... 58 6.2.1 - TITNIO ........................................................................................................................................... 58 6.2.2 - LIGAS DE TITNIO......................................................................................................................... 59 7 - MAGNSIO E SUAS LIGAS ....................................................................................................................... 60 7.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 60 7.2 - PROPRIEDADES DO MAGNSIO E SUAS LIGAS.............................................................................. 60 7.2.1 - MAGNSIO ...................................................................................................................................... 61 7.2.2 - LIGAS DE MAGNSIO .................................................................................................................... 62 8 - ZINCO E SUAS LIGAS ................................................................................................................................ 62 8.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 63 8.2 - PROPRIEDADES DO ZINCO E SUAS LIGAS ...................................................................................... 63 8.2.1 - LIGAS DE ZINCO ............................................................................................................................ 64 8.2.2 - LIGAS DE ZINCO E ALUMNIO..................................................................................................... 65 9 - CHUMBO E SUAS LIGAS ........................................................................................................................... 65 9.1 - INTRODUO........................................................................................................................................ 66 9.2 - PROPRIEDADES DO CHUMBO E SUAS LIGAS ................................................................................. 66 10 - OUTROS METAIS ...................................................................................................................................... 69 10.1 - ESTANHO.............................................................................................................................................. 69 10.2 - CROMO.................................................................................................................................................. 71 10.3 - TUNGSTNIO ....................................................................................................................................... 72 10.4 - PRATA ................................................................................................................................................... 73 10.5 - OURO..................................................................................................................................................... 73 10.6 - SILCIO .................................................................................................................................................. 74 11 - POLMEROS ............................................................................................................................................... 75 11.1 - INTRODUO...................................................................................................................................... 76 PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

III

CEFETSC GERNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECNICA Tecnologia dos Materiais 11.2 PROPRIEDADES.................................................................................................................................. 79 11.2.1 - MORFOLOGIA .............................................................................................................................. 79 11.2.2 COMPORTAMENTO MOLDAGEM .......................................................................................... 82 11.2.3 - ADITIVOS....................................................................................................................................... 83 11.2.4 PROPRIEDADES TRMICAS....................................................................................................... 86 11.2.5 PROPRIEDADES MECNICAS.................................................................................................... 87 11.3 - PLSTICOS ........................................................................................................................................... 88 11.4 - ELASTMEROS ................................................................................................................................. 118 12 CERMICAS ............................................................................................................................................ 124 12.1 INTRODUO ................................................................................................................................... 125 12.2 CERMICA CONVENCIONAL ........................................................................................................ 126 12.2.1 MASSA CERMICA..................................................................................................................... 12712.2.1.1 Matrias primas plsticas.......................................................................................................................127 12.2.1.2 Matrias primas no plsticas.................................................................................................................128

12.2.2 ESMALTES .................................................................................................................................. 129 12.2.3 ENGOBE...................................................................................................................................... 130 12.3 CERMICA AVANADA ................................................................................................................. 131 13 NOES DE RECICLAGEM DE MATERIAIS .................................................................................. 145 13.1 - INTRODUO ................................................................................................................................... 145 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................................................ 149

PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN

- 2.001

IV


NDICE DE FIGURASFIGURA 1.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaio universal; b) Durmetro........................................................................................................................... 4 FIGURA 2.1 - Alumnio............................................................................................................. 7 FIGURA 2.2 - Etapas da produo de alumnio......................................................................... 7 FIGURA 2.3 - Diagrama de fases da liga binria Al-Cu..........................................................15 FIGURA 2.4 - Diagrama de fases da liga binria Al-Mg.........................................................16 FIGURA 2.5 - Diagrama de fases da liga binria Al-Si...........................................................17 FIGURA 3.1 - Extrao do minrio de cobre...........................................................................23 FIGURA 3.2 - a) Triturao do minrio de cobre; b) Flotao................................................ 24 FIGURA 3.3 - Esquema do forno revrbero. ...........................................................................24 FIGURA 3.4 - Obteno do mate............................................................................................. 25 FIGURA 3.5 - Obteno do cobre blster................................................................................. 25 FIGURA 3.6 - Placa de refinao eletroltica...........................................................................26 FIGURA 3.7 - Efeito das impurezas na condutividade eltrica do cobre. ...............................27 FIGURA 3.8 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Zn. ........................................................32 FIGURA 3.9 - Micrografias de lates. a) Cu-Zn 33% (laminado e recozido) [fase ]; b) CuZn 40% (fundido) [fase + ] ; Cu-Zn 24,7% Sn 2,4% Pb 2,9% [fase + Cu3Sn]; CuZn 34% Mn 1,7% Ni 3,12% Pb 1,92% [fase + ndulos de Pb]. ................................... 33 FIGURA 3.10 - Diagrama do comportamento mecnico dos lates........................................34 FIGURA 3.11 - Aplicaes do lates.......................................................................................36 FIGURA 3.12 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Sn. ......................................................39 FIGURA 3.13 - Micrografias de bronzes. a) Cu-Sn 5% (laminado e recozido) [fase ]; b) CuSn 16% (recozido) [fase + ] ; c) Cu-Sn 10%, Pb 5% .................................................. 39 FIGURA 3.14 - Aplicaes do bronze. ....................................................................................41 FIGURA 3.15 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Al........................................................43 FIGURA 3.16 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Ni........................................................46 FIGURA 3.17 - Aplicaes do cupronquel. ............................................................................ 47 FIGURA 3.18 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Be. ......................................................48 FIGURA 4.1 - Aplicaes do nquel. .......................................................................................53 FIGURA 5.1 - Aplicaes do cobalto. .....................................................................................56 FIGURA 6.1 - Aplicaes do titnio. ....................................................................................... 59PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

V


FIGURA 7.1 - Aplicaes do magnsio................................................................................... 62 FIGURA 8.1 - Aplicaes do zinco..........................................................................................64 FIGURA 9.1 - Diagrama de fases da liga Pb-Sn......................................................................68 FIGURA 9.2 - Diagrama de fases da liga Pb-Sb......................................................................68 FIGURA 10.1 - Aplicaes do cromo. .....................................................................................71 FIGURA 10.2 - Aplicaes da tungstnio................................................................................ 72 FIGURA 10.3 - Aplicaes da prata. .......................................................................................73 FIGURA 10.4 - Aplicaes do ouro.........................................................................................74 FIGURA 10.5 - Aplicaes do silcio. ..................................................................................... 75 FIGURA 11.1 Representao das cadeias polimricas. a) Cadeia linear; b) cadeia com ramificaes incompletas; c) cadeias com ramificaes transversais ou cruzadas. .........79 FIGURA 11.2 Formas isomricas. ........................................................................................ 81 FIGURA 11.3 Cristalinidade em polmeros. ......................................................................... 82 FIGURA 11.4 Curvas de volume especfico em funo da temperatura para um polmero cristalino. A) regio vtrea; B) regio viscosa; C e D) regio lquida com viscosidades distintas; E) regio com cristalitos na regio vtrea; F) regio viscosa com cristalitos....86 FIGURA 11.5 Curva ndice de cristalinidade em funo da temperatura para um polmero cristalino. .......................................................................................................................... 87 FIGURA 11.6 Comportamento ao ensaio de trao de um polmero linear. ........................ 88 FIGURA 11.7 Comportamento ao ensaio de trao de polmeros. ..................................... 118 FIGURA 12.1 Peas de cermica. .......................................................................................125 FIGURA 12.2 Produo de cermica. .................................................................................131 FIGURA 12.3 - Microscopia eletrnica de varredura de cermetos e metal duro...................135 FIGURA 12.4 - Revestimento de TiN em uma pastilha de metal duro..................................139 FIGURA 13.1 Smbolo da reciclagem. ............................................................................... 145


- 2.001

VI


1 - INTRODUOA nova tendncia de matrias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricao determinaram criao de mtodos padronizados de produo, e ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e mtodos de controle de qualidade dos produtos. Entende-se que o controle de qualidade precisa comear pela matria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produo, incluindo a inspeo e os ensaios finais nos produtos acabados.

Todos os materiais tm propriedades distintas. A comear pela Tabela Peridica, onde cada elemento qumico tem um nmero e massa atmica prpria. O uso correto do material depende do profundo conhecimento dele e das implicaes tecnolgicas de sua obteno, por exemplo, metais, semicondutores, cermicos, plsticos, compsitos. Todos esses materiais podem ser encontrados tanto em um automvel quanto em uma aeronave.

Os materiais acima descrito podem ser agrupados em dois grupos e quatro subgrupos: Materiais metlicos; Materiais no-metlicos.

A tabela abaixo mostra este agrupamento. MATERIAIS METLICOS Ferrosos Aos Ferros fundidos

No-ferrosos Alumnio Cobre Zinco Magnsio Chumbo Tungstnio

NO-METLICOS Naturais Madeira Asbesto Couro Semicondutor (C, Ge, Si,...) Borracha

Sintticos Vidro Cermica Plstico Semicondutor (GaAs, GaAsP, CdS,...) Borracha Compsito

Alguns dos materiais da tabela acima so duro e frgil, outros so moles e dcteis. Uns tem elevado ponto de fuso, outros tem baixo e alguns nem apresentam ponto de fuso definido, ou seja, os materiais apresentam propriedades fsicas e qumicas distintas.PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

1


Propriedades fsicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades mecnicas, trmicas, eltricas, magnticas e ticas; Propriedades qumicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades de atividade, difusividade, resistncia a oxidao, resistncia a corroso.

s vezes comum encontrar a propriedade mecnica de um material distinta da propriedade fsica, conforme o exemplo do polmero abaixo:

Nome: poli (estireno-butadieno-acrilonitrila) - ABS - alto impacto Composio: (CH2-CH-C6H4)n Classificao: Polmeros Aplicaes: Gabinetes e caixas domsticas, caixas de televiso, telefones, batedeiras e liqidificadores, aspiradores de p, box para chuveiros. Processos: injeo, usinagem, outros.

Propriedades Mecnicas Ductilidade: 0,06 - 0,09 % Coeficiente de poisson: 0,38 - 0,42 Coeficiente de atrito: 0,47 - 0,52 Dureza: 70 - 140 MPa Mdulo de Bulk: 3 - 4,4 GPa Mdulo de cisalhamento: 0,7 - 0,95 GPa Mdulo de elasticidade longitudinal: 1,8 - 2,7 GPa Resistncia ao impacto: 200 - 400 J/m3, notao Izod Limite elstico: 27 - 55 MPa Tenacidade a ruptura: 3 - 4 MPa.m1/2 Tenso de escoamento: Tenso de compresso: 60 - 100 MPa Tenso de ruptura por trao: 36 - 48 MPaPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

2


Propriedades Trmicas Calor especfico: 1.500 - 1.530 J/kg.K Calor latente de fuso: No se aplica Coeficiente de dilatao trmica linear: 70 - 95.10-6/K Condutividade trmica: 0,14 - 0,22 W/m.K Ponto de fuso: No se aplica Temperatura de transio vtrea: 370 - 375K Temperatura mxima de servio: 340 - 350K Temperatura mnima de servio: 150 - 200K Propriedades Fsicas Absoro de gua: 0,3 - 0,32 % Peso especfico: 1,02 - 1,1 kgf/dm3 ndice de refrao: Flamabilidade: regular Propriedades Eltricas Constante dieltrica: 2,4 - 2,9 V/m Resistividade eltrica: 6,31 - 15,8 1013 ohm.m As propriedades mecnicas aparecem quando o material est sujeito a esforos de natureza mecnica, isto , propriedades que determinam a maior ou menor capacidade de resistir ou transmitir esforos que lhe so aplicados. Essa capacidade necessria durante o processo de fabricao, como tambm durante a sua utilizao. Em termos de indstria mecnica, a propriedade mecnica considerada uma das mais importante para a escolha da matria-prima. As propriedades mecnicas que se tem maior interesse so: resistncia a trao e compresso, dureza, ductilidade, fragilidade, elasticidade, plasticidade, tenacidade, maleabilidade. Resistncia trao e compresso: a resistncia que o material oferece a esforos de trao ou de compresso at a sua ruptura. Esta resistncia medida atravs de ensaios de trao ou de compresso na mquina universal de ensaio; Dureza: a resistncia que o material oferece penetrao, deformao plstica

permanente e, ou ao desgaste. Esta propriedade tem definies metalrgicas, mineralgicas e mecnicas. Esta resistncia medida atravs de ensaios de dureza;


- 2.001

3


a)

b)

FIGURA 1.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaio universal; b) Durmetro.

Ductilidade: a capacidade que um material tem de se deformar sem rompimento, quando for submetido a presso esttica; Fragilidade: a capacidade que um material apresenta de romper-se quando for submetido a impacto. Em geral, os materiais duros so tambm frgeis; Elasticidade: a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um esforo, e recuperar sua forma original, quando for cessado o esforo que o deformou; Plasticidade: a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um esforo, e manter-se deformado aps cessado o esforo que o deformou; Tenacidade: a capacidade que um material tem de absorver energia at a sua ruptura, quando o mesmo for submetido esforos estticos ou dinmicos. Os materiais dcteis apresentam maior tenacidade que os materiais frgeis. O ferro fundido e o vidro so dois materiais frgeis, entretanto, os ferros fundidos apresentam maior tenacidade que os vidros; Maleabilidade: a capacidade que um material tem de se transformar em lminas quando submetidos a esforos estticos.PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

4


Os ensaios mecnicos dos materiais so procedimentos padronizados mediante normas tcnicas que compreendem testes, clculos, grficos para a determinao de propriedades mecnicas. As normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios vem das seguintes instituies: ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas); ASTM (American Society for Testing and Materials); DIN (Deuches Institut fr Normung); AFNOR (Association Franaise de Normalisation); BSI (British Standards Institution); ASME (American Society of Mechanical Engineer); ISO (International Organization for Standardization); JIS (Japanese Industrial Standards); SAE (Society of Automotive Engineers). Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto j fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situaes que simulam esforos nas condies reais de uso, chegando a limites extremos de solicitao. Os ensaios mecnicos padronizados so realizados em laboratrios equipados adequadamente para levantamento de dados, entretanto, alguns ensaios no padronizados para uma anlise prvia, pode ser feita em oficina como o ensaio por lima (verificao de dureza por meio do corte de cavaco) e o ensaio em esmeril (verificao do teor de carbono em um ao atravs da anlise da centelha).

Existem vrios critrios para classificar os ensaios mecnicos. A classificao mais utilizada a que separa em dois grupos: Ensaios destrutivos: so aqueles que ocorrem mediante a destruio do corpo de prova ou pea ou que deixam algum sinal, mesmo que estes no fiquem inutilizados. Estes ensaios so: Trao, Compresso, Cisalhamento, Dobramento, Flexo, Embutimento, Toro, Dureza, Fluncia, Fadiga, Impacto. Ensaios no destrutivos: so aqueles que aps sua realizao no deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqncia, nunca inutilizam a pea ou corpo de prova. Por esta razo, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados ou semi-acabados. Estes ensaios so: Lquido Penetrante, Partculas Magnticas, Ultra-som e Radiografia Industrial.

Para compreender o estudo de materiais no-ferrosos, neste eixo temtico de Tecnologia de Materiais, far-se-, seguidamente, o uso dos termos acima citado.


- 2.001

5


2 - ALUMNIO E SUAS LIGAS2.1 - INTRODUO O alumnio um metal leve (peso especfico = 2,7 gf/cm3), resistente corroso, bom condutor de calor e eletricidade, possui brilho e tem um baixo ponto de fuso - 658 oC. Acredita-se que o alumnio tenha se formado atravs de sucessivas colises dos tomos de hidrognio em altas temperaturas e presses elevadas durante o nascimento do sistema solar, mas a histria do alumnio recente.

H mais de 7 mil anos, os ceramistas da Prsia faziam seus vasos com um tipo de argila contendo xido de alumnio - a alumina. Sculos depois, os egpcios e babilnicos usavam o xido de alumnio em cosmticos e produtos medicinais. Apesar de ser o metal mais abundante na crosta terrestre, ele no se encontra naturalmente na forma de metal, mas na forma de xido (Al2O3) no minrio da bauxita. Vrios pesquisadores participaram da descoberta do alumnio. O primeiro foi o ingls Humphrey Davy, entre 1.808 e 1.812, que tentou isolar o metal, obtendo uma liga de ferroalumnio e sem saber direito o que havia obtido, sugeriu que poderia ser um xido de um metal, dando o nome de aluminium. Logo depois, em 1.825, o fsico alemo Hans Christian Oersted se encarregou de produzir pequenas quantidades do metal, separando-o do oxignio, atravs da destilao com aquecimento da mistura de potssio e xido de alumnio. Em 1.854, o cientista francs Henri Saint Claire Deville, substituiu o potssio pelo sdio, reduzindo o xido existente na alumina e obteve um alumnio com 97% de pureza. Outros melhoraram seu processo at 1.869, quando 2 toneladas de alumnio foram produzidas. Isso baixou seu custo de $545,00 para $17,00 o grama, quase o mesmo valor da prata. Um preo razovel, tanto que serviu para ornar a mesa da Corte Francesa, a coroa do rei da Dinamarca e a capa do Monumento de Washington. Em meados de 1.880, o alumnio era um metal semiprecioso, to raro quanto a prata. Na Oberlin College de Ohio, o professor Frank Jewett mostrou a seus estudantes de Qumica um pequeno pedao de alumnio e disse a eles que quem conseguisse descobrir um modo econmico de se obter este metal ficaria rico. Um de seus estudantes, Charles Martin Hall, j vinha fazendo experimentos com minrios desde os 12 anos de idade, em laboratrio improvisado. Depois de formado, continuou seus experimentos. AprendeuPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

6


como fazer xido de alumnio alumina. Em 1.886, ele colocou num recipiente um banho de criolita contendo alumina e passou uma corrente eltrica. O resultado foi uma massa que ele trabalhou com martelo. E ento, vrias partculas de puro alumnio se formaram, dando origem a um dos metais mais usados pela indstria na histria. Isto s foi possvel devido a inveno do dnamo eltrico.

FIGURA 2.1 - Alumnio.

2.2 - PRODUO DE ALUMNIO

Atualmente, seu volume de produo maior do que todos os outros metais noferrosos juntos. O alumnio se tornou o metal mais usado depois do ao. O processo de obteno do alumnio segue basicamente trs etapas: obteno do minrio (bauxita); obteno da alumina e obteno do alumnio. Entretanto, h etapas intermedirias da produo, que podem ser sintetizadas conforme a figura abaixo.

FIGURA 2.2 - Etapas da produo de alumnio.


- 2.001

7

CEFETSC GERNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECNICA Tecnologia dos Materiais1- Limpeza de camada de terra e vegetao 2- Minerao de Bauxita 9- Triturao 8- Armazenagem 14Espessadores e 20Armazenagem de

lavadores 15Remoo de lama

Alumina 21- Clula eletroltica

residual 3- Transporte em caminho 4Armazenagem de 10- Cal 11- Soda Custica 16- Filtro 17- Precipitadores 22- Cadinho 23- Forno de espera

Bauxita 5- Reflorestamento 12- Misturador de lama 18Espessadores de 24- Fabricao dos lingotes

classificao 6- Carregamento em navio 7- Descarregamento 13- Digestores 19- Calcinador Alumina 24- Lingotes para fundio

O processo de produo de alumnio composto por uma srie de reaes qumicas. At mesmo a bauxita - minrio do qual se extrai a alumina e o alumnio - formado por uma reao qumica natural, causada pela infiltrao de gua em rochas alcalinas que entram em decomposio e adquirem uma nova constituio qumica. A bauxita encontra-se prxima superfcie, em uma espessura mdia de 4,5 metros, o que possibilita a sua extrao a cu aberto com a utilizao de retroescavadeiras. Porm, antes de se iniciar a manuteno, alguns cuidados precisam ser tomados para se proteger o meio ambiente. A terra frtil acumulada sobre as jazidas removida juntamente com a vegetao e reservada para um futuro trabalho de recomposio do terreno, aps a extrao do minrio. Depois de minerada, a bauxita transportada para a fbrica, onde chega em seu estado natural, com impurezas que precisam ser eliminadas. E a se inicia a primeira reao qumica da srie que vai viabilizar a obteno da alumina e do alumnio. A bauxita, que contm em torno de 40 a 60% de alumina e o restante de xido de ferro, slica, titnio e outras impurezas, moda e misturada a uma soluo de soda custica que a transforma em pasta. Aquecida sobre presso e recebendo nova adio de soda custica, esta pasta se dissolve formando uma soluo que passa por processos de sedimentao e filtragem que eliminam todas as impurezas. Esta soluo, chamada de aluminato de sdio, esta pronta para que dela se extraia apenas a alumina. Isso feito atravs de reao qumica. Em equipamentos chamados de precipitadores, a alumina contida na soluo precipita-se atravs do processo chamado de "cristalizao por semente", e nesse processo, obtm-se a alumina hidratada. Desta forma, pode ser usada no tratamento de gua e na indstria de celulose e papel, corantes e cremes dentais. Se for seca e calcinada (1.000 a 1.300 oC), a matria-prima - alumina - poder ser utilizada como abrasivos, refratrios, isoladores trmicos, cermicas avanadas.


- 2.001

8


A alumina (Al2O3) tem uma ligao muito forte, predominantemente inica, entre os seus tomos e que para separ-los necessrio a utilizao de fornos eletrolticos. A alumina dissolvida dentro destes fornos em um banho a base de fluoretos. Os fornos so ligados a um circuito eltrico de corrente contnua. No momento que ocorre a passagem da corrente eltrica, ocorre a reao de dissociao e o alumnio se separa do oxignio. O alumnio lquido se deposita no fundo do forno que bombeado para fornalhas onde ser purificado ou receber a adio de outros metais para formao de ligas. O calor gerado pela corrente eltrica mantm a soluo em estado lquido, permitindo a adio de novas cargas de alumina, o que torna o processo contnuo para fabricao de lingotes ou laminados.

2.3 - PRODUO DE P DE ALUMNIO

O p de alumnio produzido a partir da atomizao do alumnio em estado lquido. Aspirado para uma cmara onde se introduz um jato de ar pressurizado, o alumnio lquido desintegra-se em pequenas partculas de formato semi-esfrico que depois peneirado e classificado de acordo com a sua granulao que pode ser: fino, mdio e grosso

2.3.1 - APLICAES DO P DE ALUMNIO

Aluminotermia: empregada na produo de ligas de ferro, ligas no-ferrosas e metais puros: ferro-nibio, ferro-vandio, ferro-molibdnio, ferro-titnio, cromo, etc... Funciona como agente de reduo de xidos e fonte de calor.

Refratrios: aplicado em tijolos e concretos para canal de corrida. O p de alumnio reage com o oxignio da gua, gerando hidrognio que facilita a secagem dos concretos e evita a formao de trincas. Em tijolos de magnsia-carbono, o alumnio reage com o oxignio do ao fundido, preservando o carbono do ao, aumentando a vida til do refratrio.

Metalurgia: utilizado na produo de briquetes, que so misturas de alumnio e outros ps metlicos, moldados em pequenos lingotes sob presso. Endurecem, reforam e refinam a estrutura granular das ligas de alumnio. Utilizado em solda exotrmica, a reao de ps de alumnio e xidos metlicos fornece o calor e metal de enchimento, utilizado na soldagem de cabos, bastes, trilhos, ligas de cobre, alumnio e outros metais.


- 2.001

9


Indstria qumica: utilizado na produo de derivados aluminosos quando se necessita de uma reao de alta pureza e eficincia. aplicado em cloridrxido de alumnio, cloreto de alumnio anidro, agentes de reduo, fosfeto de alumnio, hidrxido de alumnio, produo de pigmentos para de tintas automotivas e industriais, grfica, etc.

Explosivos: O p de alumnio misturado a compostos explosivos, aumentando o desempenho e a potncia de exploso. Alguns tipos de explosivos so NA/FO, aminometilaminas, etc.

Forno auto limpante: O p de alumnio age como elemento de suporte na formulao de esmaltes, dando o efeito de limpeza. Propelentes para msseis e foguetes: o p utilizado na produo de combustveis slidos para msseis e foguetes. Os compostos slidos so formados por um oxidante forte, p de alumnio, ligantes e aditivos especiais.

2.4 - VANTAGENS DA UTILIZAO DO ALUMNIO

Alm das caractersticas j citadas, como baixo peso e a resistncia s condies do ambiente, o alumnio apresenta outras caractersticas extremamente vantajosas de utilizao. Ele facilmente moldvel e permite todo tipo de processo de fabricao: pode ser laminado, forjado, prensado, repuxado, dobrado, serrado, furado, torneado, lixado e polido. As peas de alumnio podem tambm ser produzidas por processos de fundio, alm disso, o alumnio um material que pode ser unido por todos os processos usuais: soldagem, rebitagem, colagem e brasagem. Sua condutividade trmica quatro vezes maior que a do ao. Ele pode ser anodizado, envernizado e esmaltado.

2.5 - PROPRIEDADES DO ALUMNIO E SUAS LIGAS

2.5.1 - ALUMNIO

O alumnio comercialmente puro ( 99,99% ) e recozido tem uma resistncia de ruptura trao de 5 kgf/mm (49 MPa) e peso especfico de 2,7 gf/cm3 e a tenso de escoamento est em torno de 1,3 kgf/mm (12,7 MPa). Quando laminados, extrudados ou forjados, a tenso de ruptura trao pode alcanar a 57 kgf/mm2 (559 MPa) e a tenso de escoamento fica em torno de 50 kgf/mm (490 MPa). As impurezas metlicas podem aumentar a sua resistncia PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

10


trao em cerca de 50% sem aumentar muito o peso especfico (dependente da concentrao). O mdulo de elasticidade longitudinal depende tambm da concentrao de elementos de liga, mas para o alumnio comercial vale E = 7.000 kgf/mm. Esta propriedade tambm anisotrpica, pois depende do material ser monocristalino, direo de crescimento do cristal, material, e no caso de policristalino, a orientao e tamanho dos cristais (gros). A tabela abaixo mostra o mdulo de elasticidade longitudinal de alguns materiais de engenharia.

Metal

Ferro, nquel, cobalto Molibdnio, tungstnio Cobre Alumnio Magnsio Zinco Zircnio Estanho Berlio smio Titnio Chumbo Rdio Nibio Ouro, prata Platina

Mdulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2) 21.000 35.000 11.900 7.000 4.550 9.800 10.150 4.200 25.700 56.000 10.000 1.750 29.750 10.500 7.850 18.800

Liga

Aos-carbono e aosliga Aos inoxidveis austenticos Ferro Fundido Nodular Bronzes e lates Bronzes de mangans e ao silcio Bronzes de alumnio Ligas de alumnio Monel Hastelloy Invar (nquel-ferro) Inconel Illium (liga de nquel) Ligas de titnio Ligas de magnsio Ligas de estanho Ligas de chumbo

Mdulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2) 21.000 19.600 14.000 7.700 - 11.900 10.500 8.400 - 13.300 7.000 - 7.450 13.000 - 18.200 18.900 - 21.500 14.000 16.000 18.700 11.200 - 12.100 4.550 5.100 - 5.400 1.400 - 2.950

O alumnio comercialmente puro pouco tenaz, mas possui excelente maleabilidade sendo possvel laminar folhas de 0,005 mm de espessura. Tambm tem boa ductilidade com alongamento de 30 a 40%, sendo possvel obter fios de 0,03 mm de dimetro. De pequena dureza podendo ser riscado pela maior parte dos metais. Sob ao do trabalho mecnico a quente (laminao, forjamento) o alumnio se encrua. Para melhorar ou modificar as propriedades do alumnio, pode-se fazer tratamentos trmicos ou adicionar elementos qumicos quando o metal est no estado lquido, fazendo-se as ligas.


- 2.001

11


Propriedades fsicas Massa atmica: 26,97 g Peso especfico: 2,70 kgf/dm3 Estrutura cristalina (20 oC): CFC, a = 0,404 nm Ponto de fuso: 658 oC [931,15K] Ponto de ebulio: 2.000 oC Coeficiente de dilatao trmica linear: (20 oC): 23 x 10-6/ oC [24 - 24,2.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 2,699 .cm [2,63 - 2,692.10-8 .m] Condutividade trmica: (20 oC): 0,52 cal.cm-1.s-1. oC-1 [222 - 224,2 W/m.K] Refletividade (chapa polida): 0,06 Calor especfico: 900,4 - 909,4 J/kg.K Calor latente de fuso: 388 - 391,9 kJ/kg Temperatura mxima de servio: 370 - 420K Constante dieltrica: No se aplica Em relao ao cobre, a condutividade eltrica cerca de 62 % da do cobre e tal como no cobre diminui ligeiramente por deformao a frio e fortemente com a presena de impurezas.

Propriedades mecnicas Ductilidade: 0,3 % Coeficiente de Poisson: 0,34 Dureza: 15 a 25 HB [147 a 245 MPa] Mdulo de Bulk: 75 - 75,5 GPa Mdulo de cisalhamento: 26,2 - 26,4 GPa Mdulo de elasticidade longitudinal: 68,9 - 69,6 GPa Resistncia ao impacto: Limite elstico: 12,7 a 30 MPa Tenacidade a ruptura: 30 - 35 MPa.m1/2 Tenso de compresso: 40 MPa Tenso de ruptura por trao: 45 a 50 MPa Alongamento: 30 a 40 % Estrico: > 60 % Estas caractersticas correspondem a alumnio no estado recozido. , portanto, um metal muito malevel. Pode ser trabalhado a frio e a quente e aps recristalizao no apresenta maclas como o cobre. O trabalho a quente efetuado entre 250 - 500 oC.


- 2.001

12


Propriedades qumicas

Reage facilmente com o oxignio. Esta propriedade se d na superfcie do alumnio e forma uma pelcula espessa e aderente de alumina que o protege da continuao da reao para o alumnio subjacente. A adio de qualquer elemento qumico prejudica esta resistncia a corroso, de tal modo que nas ligas de alumnio de alta resistncia estas tm de ser revestidas por folha de alumnio puro. Forma pares galvnicos com os metais mais nobres, como o cobre e o ferro, os quais destroem a camada de alumina protetora e provocam forte corroso. Devem por isso ser evitadas ligaes metlicas entre aqueles metais e o alumnio. Resiste bem a corroso atmosfrica, solues salinas, mas e atacado pela gua pura a temperatura elevada. Tambm resistente a atmosferas sulfurosas ou muito midas. atacado pela maior parte dos cidos minerais, sobretudo o cido clordrico. O cido ntrico e os cidos orgnicos, com exceo do cido frmico, no atacam o alumnio. Os produtos mais resistentes so: os vrios graus de alumnio puro, seguidos das ligas Al-Mg, Al-Mn, Al-MgSi, e Al-Si. As ligas que contm cobre so as menos resistentes a corroso e, por isso, devem ser revestidas de alumnio puro e no sofrer nenhum tratamento trmico para evitar a difuso dos elementos entre as folhas da superfcie e da alma.

Composio qumica

Pode obter-se por refinao eletroltica o alumnio comercialmente puro, 99,99%. O alumnio comercial contm geralmente impurezas que atingem cerca de 0,5%, sendo o ferro e o silcio as principais. Estas impurezas so vantajosas do ponto de vista de propriedades mecnicas, elevando a resistncia mecnica, mas so prejudiciais a maleabilidade, a resistncia corroso, a condutividade eltrica. Se a proporo de silcio ultrapassar o teor de ferro poder ocorrer trincas a quente. Os principais graus de alumnio so: 99,99%; 99,5%e 99%.

Tratamentos trmicos

O nico tratamento com interesse o recozimento de homogeneizao que, ao assegurar a redistribuio do ferro sob a forma de precipitado fino intragranular de FeAl3, retarda a recristalizao aps laminao e modifica a estrutura (evita o aparecimento daPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

13


estrutura cbica) o que tem como conseqncia uma diminuio aprecivel da resistividade do metal vazado.

Aplicaes

O seu baixo peso especfico, cerca de 1/3 da do cobre, justifica o seu emprego na construo veculos motorizados e da aviao; na indstria mecnica, pistes espelhos, eletrodos, folha de alumnio, portas e esquadrias, latas, placas, embalagens, painis, sinalizadores, placas de sinalizao. A condutividade trmica e apenas ultrapassada pela prata, cobre e o ouro, e por isso, utilizado em material de cozinha, trocadores de calor, instalaes de refrigerao, pistes, etc. Mas, devido ao baixo ponto de fuso a temperatura de servio, no deve ser superior a 200 oC. Quanto a condutividade trmica, o seu elevado valor, aliado ausncia de magnetismo e, sobretudo, do baixo peso especfico, conduz cada vez mais utilizao do alumnio nos cabos de energia eltrica nas linhas de alta tenso. Para dar resistncia a estes cabos usa-se cabos com alma de ao.

2.5.2 - LIGAS DE ALUMNIO

O principal objetivo da adio de elementos ao alumnio a melhorar o limite elstico, resistncia trao e dureza. Em contrapartida, propriedades como a ductilidade, condutividade trmica e resistncia corroso diminuem. As ligas so formadas principalmente com a adio de cobre (Cu), magnsio (Mg), mangans (Mn), silcio (Si) ou zinco (Zn) ao alumnio (Al). A escolha dos elementos e sua proporo, nessa adio, dependem das propriedades finais que se quer obter. A maior parte das ligas de alumnio ainda susceptvel de endurecimento por precipitao que aumenta consideravelmente o limite de elasticidade e resistncia trao e a dureza. O alumnio entra em grande nmero de ligas de dois ou mais componentes. As principais ligas de alumnio so: ligas de soluo slida AlCu; Al-Si, Al-Mg2Si, Al-Mg e Al-Mn.


- 2.001

14


2.5.2.1 - Liga de Al-Cu

O diagrama de fases da liga binria Al-Cu mostrado abaixo mostra a complexidade do conhecimento completo de ligas formadas pelo alumnio e cobre. Entretanto, ao se fabricar uma liga de alumnio Al-Cu e submeter essa liga a processos especiais de tratamento, esse material ter uma resistncia trao equivalente ou at maior que a de aos de baixo teor de carbono com boa usinabilidade. Devido alta relao entre resistncia (maior) e peso (menor), essa liga indicada para a indstria aeronutica e automobilstica, na fabricao de rodas de caminhes, na estrutura e revestimento de asas e rodas de avies. indicada para peas que devem suportar temperaturas em torno de 150 oC.

FIGURA 2.3 - Diagrama de fases da liga binria Al-Cu.

2.5.2.2 - Liga de Al-Mg (alumag)

As ligas de Al-Mg conhecidas como alumag so susceptveis de endurecimento por precipitao (pouco interesse ) ou por deformao a frio. O magnsio tem um mximo dePROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

15


solubilidade no alumnio a 450 oC e para o teor de 15%, valor que desce para 1,5% temperatura ambiente. As ligas comerciais tem mais de 4% de Mg, sendo portanto bifsicas, ou seja, constituda pela fase pela fase , Al3Mg2, que precipita durante o resfriamento. Por aquecimento a 70 a 100 oC destas ligas pode-se formar uma pelcula intergranular que torna as ligas de 5 a 7% Mg susceptveis de corroso intercristalina, efeito que acelerado sob tenso ou por deformao a frio. A resistncia corroso pode ser restaurada por reaquecimento seguido de resfriamento controlado. As ligas de Al-Mg so excelentes para a soldagem, e por serem tambm resistentes corroso, principalmente em atmosferas marinhas. Por isso, so muito empregadas na fabricao de barcos, carrocerias de nibus e furges e no revestimento de tanques criognicos.

FIGURA 2.4 - Diagrama de fases da liga binria Al-Mg.

2.5.2.3- Liga de Al-Mn

Quando se adiciona mangans (Mn) ao alumnio, a resistncia mecnica dessa liga aumenta em at 20% quando comparada ao alumnio puro, com a capacidade de ser trabalhado por todos os processos de conformao e fabricao mecnicas, como por exemplo a prensagem, a soldagem e a rebitagem. Essa liga aceita acabamento de superfcie; resistente corroso; possui elevada condutividade eltrica. Esta liga usada na fabricao de latas de bebidas, placas de carro, telhas, equipamentos qumicos, refletores, trocadores de calor e como elemento decorativo na construo civil.


- 2.001

16


2.5.2.4- Liga de Al-Si

A liga de Al-Si apresenta baixo ponto de fuso e resistncia corroso. Quando o teor de silcio elevado, 13% de Si, - composio euttica - e se d com adio de 0,1% de sdio no momento de vazamento, a liga conhecida como alpax e tem boas propriedades

mecnicas, com maior tenacidade. Esta liga se toma adequada para produzir peas fundidas. tambm indicada como material de enchimento em processos de soldagem e brasagem.

FIGURA 2.5 - Diagrama de fases da liga binria Al-Si.

possvel tambm combinar elementos de liga. o caso das ligas de alumnio que contm magnsio e silcio em sua composio. Essas ligas apresentam uma resistncia mecnica um pouco menor que as ligas de alumnio e cobre, porm, tm elevada resistncia corroso. So facilmente moldadas, usinadas, soldadas e aceitam diversos tipos de processos de acabamento, tais como o polimento, o envernizamento e a esmaltao. So usadas na construo civil, fabricao de veculos e mquinas e fios para cabos de alta tenso. As ligasPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

17


Al-Cu e Al-Mg2Si so ligas do tipo duralumnio e podem endurecer estruturalmente. Este endurecimento devido a precipitao de Al2Cu ou Mg2Si, obtendo-se caractersticas mecnicas equivalentes as de um ao-carbono macio. O duralumnio contm em mdia 2,5 a 5% de Cu e 0,5 a 1% de Mg e 0,5 a 1% de Mn e 0,5 a 0,8% de Si, alm de pequenas porcentagens de Fe. Pode atingir r = 50 kgf/mm2 = 3%

Existem tambm ligas de alumnio fabricadas com a adio de zinco e uma pequena porcentagem de magnsio (Mg), cobre (Cu) ou cromo (Cr). Depois de passar por tratamento trmico, essas ligas so usadas em aplicaes que exijam uma alta relao resistncia/peso, principalmente na construo de avies. Outros elementos de liga que podem ser adicionados ao alumnio so: bismuto (Bi), chumbo (Pb), titnio (Ti), estanho (Sn), nquel (Ni) etc. So as variaes nas quantidades e combinaes dos elementos que originam uma infinidade de ligas com propriedades adequadas a cada urna das aplicaes.

Tratamentos trmicos

O tratamento trmico das ligas de alumnio consta, em geral, de tmpera e revenido com tratamento de solubilizao devidamente controlada. Para este tratamento a liga aquecida temperatura de 450 oC a 550 oC e mantida a essa temperatura durante o tempo necessrio para soluo completa. Aps este tratamento, a liga pode ser sujeita a tmpera em gua ou normalizada. No caso de peas de formas complicadas, pode aparecer tenses internas que daro lugar a distores. Neste caso deve-se usar gua a100 oC, leo ou sais fundidos. Aps tmpera pode-se realizar um tratamento de alvio de tenses para reduzir as tenses residuais em produtos extrudados e laminados ou em peas forjadas de forma regular. Estas ligas de alumnio podem, aps a tmpera, endurecer por revenido temperatura ambiente. Em outros casos, o endurecimento acelerado por revenido temperaturas de 110 a 215 oC e durante tempo determinado. Por exemplo, nas ligas de Al-Cu-Mg e Al-Mg-Si, o endurecimento resultante devido ao cobre e ao magnsio que precipitam sob a forma de Al2Cu e Al2MgCu.


- 2.001

18


Normalizao das ligas de alumnio

Para organizar e facilitar a seleo

das ligas de alumnio, a ABNT e outras

associaes de normas tcnicas classificaram essas ligas de acordo com o processo de fabricao e a composio qumica. Foram divididas em ligas para conformao (ou dcteis) e 1igas para fundio. Essa diviso foi criada porque as diferentes ligas tm que ter caractersticas diferentes para os diferentes processos de fabricao. Desta forma, as ligas para conformao devem ser bastante dcteis para serem trabalhadas a frio ou a quente pelos processos de conformao mecnica. Aps passarem por esses processos, as ligas so comercializadas sob a forma de laminados planos (chapas e folhas), barras, arames, perfis e tubos extrudados e peas forjadas.

As ligas para fundio devem ter resistncia mecnica, fluidez e estabilidade dimensional e trmica para suportar os diferentes processos de fundio. Tanto as ligas para conformao, quanto as ligas para fundio seguem um sistema de designao de acordo com a norma da ABNT NBR - 6834 conforme o principal elemento de liga presente em sua composio.

LIGAS DE ALUMNIO PARA CONFORMAO DESIGNAO DA SRIE 1XXX 2XXX 3XXX 4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8XXX 9XXX INDICAO NA COMPOSIO 99% mnimo de alumnio Cobre Mangans Silcio Magnsio Magnsio e silcio Zinco Outros elementos Srie no utilizada

Pela norma citada (NBR - 6834), os materiais para conformao mecnica so indicados por um nmero de quatro dgitos: O primeiro classifica a liga pela srie de acordo com o principal elemento adicionado;


- 2.001

19


O segundo dgito, para o alumnio puro, indica modificaes nos limites de impureza: 0 (nenhum controle) ou l a 9 (para controle especial de uma ou mais impurezas). Para as ligas, se for diferente de zero, indica qualquer modificao na liga original;

O terceiro e o quarto dgitos, para o alumnio puro, indicam o teor de alumnio acima de 99%. Quando se referem s ligas, identificam as diferentes ligas do grupo ( um nmero arbitrrio).

Exemplos: 1) Liga de alumnio 1035 1 - Alumnio comercialmente puro; 0 - Sem controle especial de impurezas; 35 - 99,35% de alumnio.

2) Liga de alumnio 5470 5 - Alumnio com magnsio; 4 - Com controle especial de impurezas (modificado); 70 - a liga de nmero 70 desta srie.

LIGAS DE ALUMNIO PARA FUNDIO DESIGNAO DA SRIE 1XX.X 2XX.X 3XX.X 4XX.X 5XX.X 6XX.X 7XX.X 8XX.X 9XX.X INDICAO NA COMPOSIO 99% mnimo de alumnio Cobre Cobre e silcio e ou magnsio Silcio Magnsio Srie no utilizada Zinco Estanho Outros elementos

O primeiro dgito classifica a liga segundo o elemento principal da liga; O segundo e o terceiro dgitos indicam centsimos da porcentagem mnima de alumnio (para o alumnio puro) ou diferentes ligas do grupo; O dgito aps o ponto indica a forma do produto: 0 - para peas fundidas, 1 - para lingotes e 2 - para alumnio reciclado.


- 2.001

20


Exemplos: 1) Liga de alumnio 319.0 3 - Alumnio com silcio/cobre ou magnsio; 19 - a liga de nmero 19 desta srie; 0 - Pea fundida.

2) Liga de alumnio 580.1 5 - Alumnio com magnsio; 70 - a liga de nmero 80 desta srie; 0 - Lingote.

A ASTM designa as ligas de alumnio com letras e nmeros. As letras indicam os principais elementos (C- cobre, G - magnsio, S - silcio, Z - zinco, N - nquel, M mangans).

PARA CONFORMAO M1A CS41A CG30A CG42A GS10A GS11A ZG62A

PARA FUNDIO C4A CG100A CN42A CS72A G8A G10A SN122A

3 - COBRE E SUAS LIGAS3.1 - INTRODUO

O cobre foi o primeiro metal usado pela civilizao, a cerca de 10.000 anos atrs. A primeira utilizao do cobre conhecida datada de 8.700 anos a.C., tendo sido encontrado vestgios de seu uso no norte do Iraque. Durante aproximadamente 5.000 anos, o cobre foi o nico metal conhecido pelo homem, tendo assim muitas aplicaes inclusive, utilizado na arte, decorao, utenslios e na guerra. Estima-se que somente 4.000 anos a.C. a civilizaoPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

21


veio a conhecer o ouro e a liga mais antiga que existe, o bronze (Cu-Sn), pois pode ser encontrada junto na natureza. O bronze teve absoluta supremacia durante sculos, at o advento do ferro. Aproximadamente 3.000 anos a.C., vieram a ser descobertos a prata e o chumbo.

O cobre um metal no-ferroso e no magntico, que se funde aproximadamente 1.083 C, e um excelente condutor de eletricidade e calor. um metal dctil e malevel que pode ser laminado a frio ou a quente. Ao ser laminado a frio, estirado ou estampado, ele adquire um endurecimento superficial que aumenta sua resistncia, porm diminui sua maleabilidade. Isso o torna mais frgil, o que corrigido com o tratamento trmico.

Em contato com o ar seco e em temperatura ambiente, o cobre no se oxida. Porm em contato com ar mido ele se recobre de uma camada esverdeada, conhecida por azinhavre ou zinabre ( hidrocarbanato de cobre). O azinhavre impede a oxidao do cobre. Em relao a outros metais, o cobre um material relativamente escasso na crosta terrestre, sendo encontrado aproximadamente 0,007% em toda a crosta. Por isso, para muitas aplicaes, o cobre vem sendo substitudo pelo alumnio. Cerca de 50% da produo mundial do metal consumida pela indstria eletrnica, seguida da construo naval, automotiva, de aeronaves, instrumentao e indstria qumica.

As reservas mundiais de cobre so estimadas em, aproximadamente, 393 milhes de toneladas de metal, distribudas com a maior percentagem na Rodsia, nos Estados Unidos da Amrica do Norte e no Chile. O Brasil tem jazidas de cobre no Rio Grande do Sul, So Paulo, Gois e Bahia.

O teor de cobre, em depsitos de grande porte e lavra subterrnea, no deve ser inferior a 1% de Cu e em depsitos de pequeno porte, a 3%. Para lavra a cu aberto, os teores mnimos situam-se entre 0,5 e 0,7% de Cu. Elementos indesejveis em jazidas de cobre compreendem o Bi, cujo teor no deve exceder de 0,5%, 2% de As, 1% de Sb e 10% Zn.


- 2.001

22


3.2 - PRODUO DE COBRE

Os principais tipos de depsitos de cobre compreendem os de segregao magmtica, os de escarnitos, os vulcanognicos, os de cobre prfiro, os filoneanos e os das sries sedimentares e os principais minerais de minrio de cobre so: Calcopirita (CuFeS2) ............ 34% de Cu Calcosita (Cu2S) ................... 80% de Cu Covelina (CuS)...................... 66% de Cu Bornita Cu5 FeS4 .................. 52-65% de Cu Enargita (Cu3AsS4) ............... 48% de Cu Cuprita (Cu2O) ...................... 89% de Cu Os minrios devem passar por um processo que composto por vrias etapas como: 1. Extrao do minrio; 2. Triturao e moagem; 3. Flotao ou concentrao; 4. Obteno do mate; 5. Obteno do cobre blster; 6. Refino.

FIGURA 3.1 - Extrao do minrio de cobre.

Aps ser extrado o minrio da natureza, ele passa por um triturador giratrio que ir reduzir o tamanho do mineral ao equivalente ao de uma bola de futebol.

O minrio de cobre e modo em moinho de bolas para reduzir o seu tamanho entre 0,05 e 0,5 mm. Em seguida, o minrio modo colocado em uma mquina cheia de guaPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

23


misturada a produtos qumicos. Na base desse equipamento existe uma entrada por onde o ar soprado. As partculas que no contm cobre so encharcadas pela soluo de gua e produtos qumicos, formam um lodo, chamado ganga, e vo para o fundo do tanque. Como o minrio sulfuroso flutua, porque no se mistura na gua, o sulfeto de cobre e o sulfeto de ferro fixam-se nas bolhas de ar sopradas, formando uma espuma concentrada na superfcie do tanque, a qual recolhida e desidratada. Essa etapa chama-se flotao ou concentrao. Realizado essas etapas, resta em torno de 1% do material inicial. A etapa seguinte a decantao e filtragem, quando se obtm um concentrado com 15 a 30% de cobre.

a)

b)

FIGURA 3.2 - a) Triturao do minrio de cobre; b) Flotao.

A seguir, o concentrado levado a um forno de chama direta chamado revrbero. A maior parte do enxofre e de impurezas como arsnico e antimnio so eliminados. O material resultante passa a ter entre 35 e 55% de concentrao de cobre e chamado de mate.

FIGURA 3.3 - Esquema do forno revrbero.


- 2.001

24


FIGURA 3.4 - Obteno do mate.

O mate levado aos conversores para oxidao para retirar o enxofre e o ferro. No conversor, o ferro se oxida e se une a slica para ser transformado em escria que eliminada. Depois, o enxofre que sobrou tambm eliminado sob a forma de gs. O cobre bruto obtido nesta etapa recebe o nome de blster, e apresenta uma pureza entre 98% e 99,5% de cobre, com impurezas como antimnio, bismuto, chumbo, nquel etc., e tambm metais nobres como ouro e prata.

FIGURA 3.5 - Obteno do cobre blster.

A ltima etapa o refino do blster, podendo ser trmica ou eletroltica. Na refinao trmica, o blster fundido e parte das impurezas restantes eliminada. O cobre passa a ter 99,9% de impureza sendo o mais utilizado comercialmente.


- 2.001

25


FIGURA 3.6 - Placa de refinao eletroltica.

A refinao eletroltica feita por eletrlise, ficando as impurezas depositadas no fundo do tanque. A pureza do cobre nesse processo de 99,99%. Neste processo so reaproveitados os materiais nobres, que estavam contidos no blster.

3.3 - PROPRIEDADES DO COBRE E SUAS LIGAS

3.3.1 - COBRE

As propriedades mecnicas do cobre favorecem a conformao a quente (forjamento, laminao) e a conformao a frio (trefilao, laminao). O cobre dctil e malevel a frio, de acordo com a sua estrutura cristalina. Por deformao a frio, endurece facilmente e tanto mais quanto maior for a deformao e, por isso, conveniente efetuar um recozimento para ir eliminando o endurecimento obtido, a no ser que o trabalho de deformao realizado a quente. O mdulo de elasticidade longitudinal mdio de 11.900 kgf/mm2 (119 GPa). Os valores da dureza e da resistncia trao so bastante diferenciados entre as temperaturas baixas e as temperaturas elevadas, diminuindo o limite de elasticidade muito rapidamente acima de 200 oC.

O cobre comercial contm sempre impurezas que vo influir nas suas propriedades fsicas, em particular na condutividade eltrica, e nas propriedades mecnicas, de cuja natureza e teor, dependem do processo de fabricao. O cobre mais puro ( > 99,99%) obtido por eletrlise. As principais impurezas que podem existir no cobre so a prata, ferro, estanho,PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

26


chumbo, zinco, nquel, cobalto, arsnio, antimnio, bismuto, selnio, enxofre, oxignio, etc. Estas impurezas, mesmo em quantidades pequenas atuam prejudicialmente sobre a condutividade eltrica, particularmente, o fsforo, o ferro e o arsnio. Por exemplo, 0,04% de fsforo reduz a condutividade a 75% em relao ao cobre puro. A reduo de condutividade devida a deformao da rede cristalina provocada pelos tomos das impureza, a qual dificulta o transporte dos eltrons.

FIGURA 3.7 - Efeito das impurezas na condutividade eltrica do cobre.

Tem tendncia a dissolver certos gases como o dixido de enxofre (SO2) e o dixido de carbono (CO2) que, durante a solidificao produz poros. Tambm dissolve o oxignio. O oxignio forma dixido cuproso (Cu2O) solvel no metal lquido e pode dar o euttico CuCuO2 que funde em torno de 1.065 oC e que, depositando-se nos contornos de gro, torna o metal frgil.

Propriedades fsicas Massa atmica: 63,57 g Peso especfico: 8,94 kgf/dm3 Estrutura cristalina (20 oC): CFC,PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN

a = 0,360 nm- 2.001

27


Ponto de fuso: 1.083 oC [1.356,15K] Ponto de ebulio: 2.360 oC Coeficiente de dilatao trmica linear: (20 oC): 16,8 x 10-6/ oC [16,8.10-6/K] Resistividade: (20 oC): 1,95 .cm [1,95.10-8 .m] Condutividade trmica: (20 oC): 0,94 cal.cm-1.s-1. oC-1 [390 - 398 W/m.K] Calor especfico: 383 - 387 J/kg.K Calor latente de fuso: 200 - 208 kJ/kg Temperatura mxima de servio: 350 - 360K Constante dieltrica: No se aplica Propriedades mecnicas Ductilidade: 0,23 - 0,25 % Coeficiente de Poisson: 0,34 - 0,35 Dureza: 43 a 46 HB [430 a 460 MPa] Mdulo de Bulk: 131,8 - 138,2 GPa Mdulo de cisalhamento: 45,1 - 47,4 GPa Mdulo de elasticidade longitudinal: 122 - 128 GPa Resistncia ao impacto: Limite elstico: 28 a 40 MPa Tenacidade a ruptura: 100 - 106,7 MPa.m1/2 Tenso de compresso: 28 - 40 MPa Tenso de ruptura por trao: 145 a 160 MPa Propriedades qumicas

O cobre puro apresenta boa resistncia a corroso. Tem um potencial de dissoluo cujo valor se situa entre os metais nobres, mas no se passiva e as pelculas formadas pelos produtos de corroso so pouco resistentes, no dando qualquer proteo. Assim, o cobre no se altera ao ar seco, mas reveste-se de uma camada esverdeada no ar mido, sobretudo em presena de dixido de enxofre (SO2) e de cido sulfdrico (SH2). Resiste muito bem a gua do mar, sofrendo ataque uniforme em torno de 1 m/ano.

Tratamentos trmicos

Esta fragilidade pode ser eliminado por meio de recozimentos e forjamento feito convenientemente. A presena de hidrognio, em uma atmosfera redutora, pode reduzir o xido de cobre com formao de vapor de gua e tornar o metal poroso e frgil. Por estes motivos o teor de oxignio deve ser inferior a 0,10% e o total de impurezas inferior a 0,4%.

AplicaesPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

28


As aplicaes mais importantes do cobre so conseqncia da elevada condutividade eltrica e boa resistncia a corroso. A aplicao principal para fabricao de condutores eltricos, trocadores de calor, condensadores e tubulaes para gua do mar, doce e vapor saturado.

3.3.2 - LIGAS DE COBRE

Cada elemento adicionado o cobre permite obter ligas com diferentes caractersticas tais como: maior dureza, resistncia a corroso, resistncia mecnica, usinabilidade ou at para obter uma cor especial para combinar com certas aplicaes. Em maior ou menor proporo diversos elementos so miscveis com o cobre no estado slido e do lugar a uma soluo slida , ou seja, a microestruturas idnticas as que correspondem a ligas tenazes e dcteis. Os elementos que, geralmente, mais entram na composio das ligas de cobre so, por ordem decrescente de solubilidade, o nquel, o zinco, o alumnio e o estanho. Apenas no caso do nquel a solubilidade total, quer no estado lquido quer no estado slido. Com os outros trs componentes h formao de diversas fases intermedirias medida que os teores vo aumentando. O aparecimento de uma segunda fase, a fase , melhora a resistncia mas piora a ductilidade e logo que a liga contenha outras fases, alm de e , a liga deixa de ter interesse industrial dada a sua elevada fragilidade. Igualmente a adio de um terceiro componente d lugar a constituintes duros e frgeis que comprometem a tenacidade da liga. So, ento, ligas, monofsicas (sol, sl. ) todas as ligas de cobre e nquel; podem ser monofsicas () ou bifsicas ( + ) as ligas de cobre-alumnio, cobre-zinco e cobre-estanho considerando apenas as ligas em que os teores do segundo componente tm interesse industrial.

3.3.2.1 - Lato

uma liga formada por cobre e zinco sendo que a quantidade de zinco pode variar de 5% a 45%. Sua temperatura de fuso varia de 800 C a 1.070 C, pois depende do teor de zinco que apresenta, quanto maior, mais baixa para a temperatura de fuso. Est liga utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automveis, ferragens, cartuchos, etc. uma liga dctil, boa condutora de eletricidade e calor, boa resistncia mecnica,PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

29


excelente resistncia corroso. Pode ser fundida, forjada e estirada ao frio, etc. Quando contm at 30% de zinco, o lato conformado por estiramento, corte, dobramento, e usinagem, pode se unir por solda de estanho e solda de prata; aceita quase todos mtodos de conformao, a quente e frio, a maioria dos processos a solda usada tambm para fabricao de cartuchos de munio, carcaa de extintores, tubos de trocadores de calor e evaporadores. O lato que tem entre 40 45% de zinco, usado na fabricao de barras para enchimento, usadas na solda forte de aos-carbonos e outros mais.

A cor do lato varia de acordo com a porcentagem de cobre que a liga apresenta, conforme mostra a tabela abaixo:

Porcentagem de zinco ( % ) Cor

2 Cobre

10 Ouro velho

15 a 20 Avermelhado

30 a 35 Amarelo brilhante

40 Amarelo claro

Diversos elementos qumicos podem ser adicionados em sua composio, mas os teores admissveis dependem do fim a que se destina a liga. Por exemplo, o chumbo e o bismuto, de baixo ponto de fuso, devem ser limitados a 0,02% e 0,002% respectivamente para trabalhos a quente. Para melhorar a resistncia mecnica e a corroso do lato, outros elementos de liga so adicionados em sua composio como: o alumnio, o estanho, o nquel, o ferro, o mangans e o silcio. Cita-se, a seguir, a influncia de alguns elementos qumicos adicionados nos lates: Chumbo: Acima de 0,1% pode criar descontinuidades na estrutura da liga favorecendo a usinabilidade e em propores superiores a 3%, diminui a resistncia mecnica, aumentando a fragilidade; Alumnio: Influencia na resistncia a trao. utilizado nos lates de alta resistncia mecnica. Sua adio limitada pelo aparecimento da fase . Quando lato ao alumnio utilizado na solda e na fundio, aparece um filme de xido de alumnio, que no interior da liga, destri a coeso da liga. Melhora a resistncia corroso por cavitao; Estanho: Aumenta a resistncia trao, mas diminui a ductilidade quando usado teores acima de 1%. resistente corroso em atmosferas marinhas. empregado na fabricao de peas para construo de barcos;


- 2.001

30


Ferro: Teores acima de 0,25% facilita a introduo do chumbo. Para teores acima de 0,7% e, em presena de silcio, h formao de manchas escuras. Entre 0,8 a 1,3% refina o gro. Quanto as propriedades mecnica, s e perceptvel com teores acima de 2% e pode apresentar o composto metlico FeZn10, que diminui a resistncia a corroso por guas salinas e aumenta a tendncia a fratura intergranular; Mangans: Forma soluo slida e aumenta a solubilidade do ferro no lato. o elemento mais utilizado para obter lates de alta resistncia; Nquel: D a cor prateada no lato, alm de melhorar a refletividade. Aumenta a resistncia a corroso. usado no lugar do bronze para fabricar molas, casquilhos de mancais. Silcio: Melhora a fluidez, quando em estado lquido e, por isso, utilizado na fundio por injeo.

Propriedades fsicas Peso especfico: 7,8 a 8,8 kgf/dm3 Calor especfico: 372 - 383 J/kg.K Calor latente de fuso: 220 - 240 kJ/kg Coeficiente de dilatao trmica linear: 16,5 - 20,7 x 10-6/K Condutividade trmica: 110 - 220 W/m.K Ponto de fuso: 1.150 - 1.340K Temperatura mxima de servio: 370 - 480K Resistividade: 3,09 - 20,89 x 10-8 ohm.m Propriedades mecnicas Ductilidade: 0,05 - 0,55 % Coeficiente de Poisson: 0,34 -0,35 Dureza: 460 - 3.000 MPa Mdulo de Bulk: 96 - 136 GPa Mdulo de cisalhamento: 33 - 46 GPa Mdulo de elasticidade longitudinal: 90 - 120 GPa Limite elstico: 70 - 500 MPa Tenacidade a ruptura: 30 - 86 MPa.m1/2 Tenso de compresso: 70 - 500 MPa Tenso de ruptura por trao:150 - 850 MPa


- 2.001

31


Constituio

Do diagrama de fases da liga Cu-Zn, abaixo, aparece as seguintes fases do lato comercial. 0 - 32,5 0 - 36,0 % Zn + 32,4 - 36,8 36,0 - 46,6 36,8 - 56,5 46,6 - 50,6

Aps solidificao Temperatura. ambiente

FIGURA 3.8 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Zn. A estrutura cristalina da fase cbica de face centrada (CFC) e a das fases e cbica de corpo centrado (CCC). A fase atribui-se a composio CuZn e a fase , Cu5Zn8. Dado que a fase demasiado frgil e as ligas com interesse industrial ficam limitadas as de teor de zinco inferior a 50%. Deve-se ainda notar que a solubilidade do zinco na soluo slida aumenta at temperatura de 453 oC (29%), decrescendo depois at a temperatura ambiente. Entre 470 oC e 453 oC a fase sofre uma transformao ordem desordem, aparecendo a forma ordenada . Industrialmente, as ligas utilizadas so as ligas monofsicas ou e as bifsicas + , com percentagens de zinco que variam de 10 a 45%. Muitos dos


- 2.001

32


elementos que se adicionam aos lates modificam a sua microestrutura, exceto o nquel que tem efeito contrrio, fazendo aparecer mais cedo o constituinte .

FIGURA 3.9 - Micrografias de lates. a) Cu-Zn 33% (laminado e recozido) [fase ]; b) Cu-Zn 40% (fundido) [fase + ] ; Cu-Zn 24,7% Sn 2,4% Pb 2,9% [fase + Cu3Sn]; Cu-Zn 34% Mn 1,7% Ni 3,12% Pb 1,92% [fase + ndulos de Pb]. Lates : Nas ligas monofsicas, a resistncia e o alongamento aumentam com o teor de zinco, este ltimo com um mximo de 30% de Zn. Estas ligas tm uma boa aptido a conformao a frio. Acima de 500 oC a maleabilidade fraca. A resistncia ao impacto no intervalo de 350 oC a 650 oC extremamente baixa, mas a resistncia a fluncia a temperaturas elevadas, superior das ligas bifsicas. Endurecem fortemente por deformao a frio e necessitam, tal como o cobre, de recozimentos freqentes; os lates so ainda particularmente sensveis ao tamanho de gro, mas tem boa resistncia a corroso por guas salinas. Lates + : Nestas ligas bifsicas, o alongamento diminui mas a resistncia e a dureza aumentam com a proporo da fase , alcanando o mximo para 100% desta fase e passandoPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

33


a diminuir logo que aparece a fase frgil . temperatura ambiente, a fase mais dura que a fase e pouco deformvel a frio. No entanto a 470 oC, aps a transformao ordemdesordem torna-se repentinamente macia e, a 800 oC, muito mais fcil de deformar do que o constituinte . Este fato torna estas ligas facilmente conformados a quente, sendo, por isso, laminadas a quente entre 650 e 800 oC. Lates + : As ligas bifsicas + so duras e extremamente frgeis. Apenas se usa a liga com 50% de Zn devido ao seu baixo ponto de fuso para unio de metais por brasagem.

As principais propriedades com interesse tcnico so: resistncia a corroso; aptido a brasagem, aptido a conformao a frio (lato ); aptido a conformao a quente (lato ); usinabilidade (sobretudo com adio de chumbo); aptido a niquelagem e a cromagem. Desta forma, as propriedades de um lato dependem da relao dos volumes das fases presentes. A figura abaixo mostra a correlao existente entre a composio de zinco e as propriedades mecnicas.

FIGURA 3.10 - Diagrama do comportamento mecnico dos lates.PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

34


Tratamentos trmicos

Os tratamentos mais usados so os de recozimentos para recristalizao e os de alvio de tenses que se efetuam nos produtos endurecidos por deformao a frio. O primeiro permite prosseguir a operao de conformao. O alvio de tenses efetuado em torno de 300 oC durante 1 hora, sobretudo para eliminar as tenses residuais provocadas nas ligas bifsicas + aps deformao a frio. As tenses residuais sensibilizam os lates a um tipo particular de corroso - trincas espontneas - que se manifesta por fratura intergranular em ambientes corrosivos fracos como a atmosfera ambiente e pode ser acelerada pela presena de certos elementos como o ferro, e talvez o chumbo, e certos reagentes coma o amonaco.

Aps o vazamento, a estrutura dos lates dendrtica e, portanto, zonada e torna-se necessrio um recozimento para homogeneizao a 600 - 650 oC, de modo a obter um gro uniforme e adequado aos tratamentos mecnicos. Quando o recozimento efetuado acima de 700 oC aparece gro grosso e aps a deformao reconhece-se pelo aspecto da superfcie casca de laranja. Estes lates podem recuperar-se por recozimento a 800 oC aps deformao a frio. Pode-se aplicar tmpera nas ligas Cu-Zn 40 a partir de 600 oC em que a liga se encontra na fase . Suprime-se assim a fase que pode precipitar no resfriamento segundo certos planos cristalogrficos da fase inicial ou nos contornos de gro, o que aumenta a resistncia, mas diminui a ductilidade. O aquecimento de lates d lugar a alterao da superfcie devido a oxidao e volatilizao do zinco.

Aplicaes

Dada a variao da resistncia a corroso e das propriedades mecnicas com o teor de zinco, as aplicaes de lates so bastante diversificadas. Os lates se destinam especialmente a laminao a frio, estiragem, fabricao de tubos e prensagem. Pertencem a este grupo entre outros as seguintes ligas: - Cu-Zn 5, usada para medalhas, moeda e objetos decorativos e ainda pequenos cartuchos de amas;PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

35


- Cu-Zn 15, usada em imitaes de joalharia, devido semelhana da sua cor com o ouro, e para artigos obtidos por conformao; - Cu-Zn 30, utilizada em trocadores de calor, evaporadores e aquecedores; na indstria eltrica, nas cpsulas e rosca das lmpadas; na construo mecnica, na fabricao de cartuchos, rebites, pregos e parafusos.

FIGURA 3.11 - Aplicaes do lates. Os lates + (Zn >36%) so usados para extruso, estampagem a quente, devendo nestas deformaes ter em conta a zona de fragilidade a quente, e para peas vazadas em grandes sries. A liga mais importante Cu-Zn 40 usada geralmente na forma de produto semifabricado como placas, barras, perfilados e na fabricao de peas vazadas, por exemplo, torneiras, acessrios de canalizao, peas para a indstria automobilstica e para a indstria de alimentos.

3.3.2.2 - Bronze

uma liga formada por cobre e estanho, sendo que a quantidade de estanho pode chegar at 20%. O bronze apresenta elevada dureza e boa resistncia mecnica a corroso, e tambm um bom condutor eltrico. Atualmente a proporo de estanho que adicionada ao cobre de at 12%, sendo que estas quantidades variam de acordo com as propriedades que se quer aproveitar. O bronze com at 10% de estanho pode ser laminado e estirado e tem alta resistncia a trao, a corroso e fadiga. As ligas com esta faixa de estanho (10%) so usadas para fabricao de parafusos e engrenagens para trabalho pesado, mancais e componentes que suportam pesadas cargas de compresso, tubos, componentes para industria txtil, qumica e de papel, varetas e eletrodos para soldagem. A liga de cobre e estanho que desoxidada com fsforo, chama-se bronze fosforoso. Este bronze possui 98,7% de cobre e 1,3% de estanho. Pode ser conformado por dobramento, recalcamento, prensagem ePROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

36


forjamento em matrizes, sendo facilmente unido por meio de solda, forte, de solda prata. muito aplicado na fabricao de contatos eltricos e mangueiras flexveis. O bronze tambm pode receber pequenas quantidades de outros elementos cuja influncia descrito abaixo: Alumnio: Com 0,005% pode apresentar de zonas de porosidade devidas a retrao ou reteno de gases pela pelcula de alumina; Antimnio: D com o cobre diversas fases intermedirias que aumentam a dureza mas igualmente a fragilidade. O seu teor , geralmente, limitado a 0,3%. S se usa em casos especiais; Bismuto: Causa fragilidade devido a formao de uma pelcula intergranular para teores superiores a 0,04%; prejudicando a laminao; Chumbo: O cobre e o chumbo no so miscveis no estado lquido para teores de chumbo de 36 a 92,5%, dando, devido diferena de densidade, lugar a heterogeneidades difceis de evitar. Por este motivo o teor de chumbo nos bronzes est limitado a 30%, entretanto, a presena de 1% de nquel tende a uniformizar a distribuio dos glbulos de chumbo na matriz. Mesmo em teores baixos prejudica a laminao. Embora, em proporo limitada (< 4%), no praticamente solvel no bronze , facilita o vazamento e melhora o aspecto superficial da pea (ausncia de porosidade) e, portanto, a estanqueidade das peas fundidas; em porcentagem superior a 2% prejudica a resistncia mecnica, mas facilita a usinagem: Ferro: Endurece e torna os bronzes frgeis com teores superiores a 0,2%; Fsforo: Entra na composio de bronzes bifsicos cujos constituintes so a soluo slida e o eutectide. Aumenta a dureza visto que, reduzindo a solubilidade do estanho na soluo slida , aumenta a quantidade de eutectide. Para teores de 0,3% de P e 10% de Sn forma-se o constituinte Cu3P, duro que vem, em geral, associado a fase ; Zinco: Diminui a dureza da soluo slida o que se aproveita na cunhagem de moedas e medalhas. Melhora a fluidez no estado lquido visto que abaixa o ponto de fuso.

Propriedades fsicas Peso especfico: 8,5 a 9 kgf/dm3 Calor especfico: 140 - 800 J/kg.K Calor latente de fuso: 220 - 240 kJ/kg Coeficiente de dilatao trmica linear: 16,5 - 19 x 10-6/K Condutividade trmica: 50 - 90 W/m.K Ponto de fuso: 1.140 - 1.340K Temperatura mxima de servio: 420 - 450K Resistividade: 7,08 - 19,95 x 10-8 ohm.mPROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

37


Propriedades mecnicas Ductilidade: 0,02 - 0,6 % Coeficiente de Poisson: 0,34 -0,35 Dureza: 460 - 2.400 MPa Mdulo de Bulk: 74 - 132 GPa Mdulo de cisalhamento: 25 - 46 GPa Mdulo de elasticidade longitudinal: 70 - 120 GPa Limite elstico: 65 - 500 MPa Tenacidade a ruptura: 24 - 90 MPa.m1/2 Tenso de compresso: 65 - 700 MPa Tenso de ruptura por trao:140 - 800 MPa Constituio

A figura abaixo representa o diagrama de equilbrio do sistema de ligas cobre e estanho. Comporta sete fases , , , , , , e , cinco pontos peritcticos, um ponto eutctico e quatro pontos eutectides. Aps solidificao, e para teores de estanho de 0% a 13,5%, a 799 oC, forma-se a soluo slida de estrutura cristalina cbica de face centrada. Esta solubilidade aumenta at 15,8% de Sn temperatura de 520o

C para se reduzir

progressivamente a 1% temperatura ambiente. Para ligas com 13,5% < Sn < 25,5%, d-se a 799 oC uma reao peritctica de que resulta o aparecimento da fase , soluo slida de estrutura cbica de corpo centrado. Assim, neste intervalo as ligas podem ser bifsicas, + , ou monofsicas, . Por resfriamento, a fase transforma-se em a 586 oC e esta, por sua vez, a 520 oC sofre a transformao eutectide (27% de Sn), + , tal como nos aos, a austenita, fase , se transforma a 723 oC em ferrita e cementita. A soluo slida intermediria de estrutura cbica de faces centradas e o constituinte parece ser o composto intermedirio Cu31Sn8, muito duro e frgil; para fase atribui-se a composio Cu3Sn. Entretanto, como o equilbrio difcil de se obter, a estrutura + s se obtm depois de tratamento trmico prolongado a baixa temperatura nas ligas de at 15% de Sn. As ligas fundidas esto fora de equilbrio e tem uma estrutura + eutectide ( + ).


- 2.001

38


FIGURA 3.12 - Diagrama de fases da liga binria Cu-Sn.

a) b) c) FIGURA 3.13 - Micrografias de bronzes. a) Cu-Sn 5% (laminado e recozido) [fase ]; b) Cu-Sn 16% (recozido) [fase + ] ; c) Cu-Sn 10%, Pb 5% Os bronzes industriais, em que Sn menor que 20% (com exceo dos destinados a sinos), so ento constitudos temperatura ambiente ou s pela fase , monofsicas, ou pelas fases + , a no ser que por tmpera se mantenha a fase temperatura ambiente. O limite entre estas duas estruturas parece tender para a do cobre quando a temperatura abaixa; mas o equilbrio no atingido a baixa temperatura seno em condies especiais (endurecimento a frio e recozimento prolongado) e, na prtica, o limite entre os dois domnios marcado PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001 39


aproximadamente pela linha pontilhada no diagrama. Por outro lado, o grande intervalo de solidificao d lugar a zonamento pronunciado e a difuso to lenta que o constituinte chega a aparecer em fundies com 7% de Sn. Deste fato resulta que, ligas com maior porcentagem de estanho so de difcil laminao, a no ser aps recozimentos prolongados para homogeneizar a soluo slida. Assim, as ligas de alto teor de estanho so deformveis a quente (fases + ) ou deformveis a frio aps recozimento e tmpera.

No que se refere s propriedades mecnicas, verifica-se que melhoram com o teor de estanho at 13% (sol, slida ), mas a partir deste valor as ligas tornam-se cada vez mais frgeis e duras devido presena da fase . Bronzes : So maleveis a frio e a quente, enquanto que os outros bronzes s podem ser trabalhos a quente acima de 600 oC para se obter as solues slidas e ; por deformao a frio podem adquirir caractersticas mecnicas interessantes. No entanto, o teor de estanho deve ser tanto mais baixo quanto o trabalho for mais difcil. Por isso limitado a 4% na fabricao de tubos; a 7% nas ligas destinadas a fabricao de fios; mas para folhas laminadas pode alcanar 10%. Uma dessas propriedades mais interessantes, que e aproveitada na fabricao de molas, resulta de, aps endurecimento a frio, apresentar um elevado limite de elasticidade. De um modo geral, estas ligas tm boa resistncia ao desgaste e muito boa soldabilidade. Bronzes + : Estas ligas tm boas propriedades autolubrificantes, visto que apresentam gros duros em uma matriz muito plstica (). Dado o intervalo de solidificao, as peas fundidas de bronze so melhores, no que se refere a homogeneizao da matriz do que os lates. devido a menores retraes. Em contrapartida, so mais caras. A cor dos bronzes varia apreciavelmente com o teor de estanho, sendo avermelhada at 5% e amarelo claro acima de 15%.

Tratamentos trmicos

O recozimento amplamente utilizado para homogeneizar os produtos fundidos e para reduo de dureza devido ao encruamento por deformao a frio. Se efetua tmpera nos bronzes com mais de 13% de Sn para evitar a precipitao da fase . uma tmpera PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001 40


martenstica em que as fases so ou + de acordo com o teor de estanho. Da mesma forma pode-se evitar, por tmpera, a estrutura + , mantendo-se a fase temperatura ambiente, do que resulta melhor resistncia e facilidade de deformao devido ao fato de, ao contrrio do que acontece nos aos, o material fica mais macio dada a ausncia da fase . No entanto, este tratamento no , em geral, aconselhado visto que h outras ligas mais baratas que os bronzes com propriedades equivalentes obtidas por este tratamento. Por este motivo ligas com teores de Sn maiores que 7% so usadas apenas em fundio.

Aplicaes

As qualidades autolubrificantes e boa resistncia corroso so as principais aplicaes dos bronzes. Por outro lado, a dificuldade de usinagem e boas qualidades de fundio levam a utiliz-los principalmente sob a forma de peas fundidas: - As ligas de 4% a 10% de Sn so usadas para fabricao de medalhas e moedas; - As ligas de 10% ou 12% de Sn so usadas para fabricao de torneiras, acessrios de tubulaes, casquilhos, discos de frico; - As ligas de 14% ou 18% de Sn so usadas para fabricao de peas que exijam boa resistncia ao desgaste por abraso e resistncia a gua do mar.

FIGURA 3.14 - Aplicaes do bronze. Os bronzes com teor acima de 20% de Sn so usados para fabricao de sinos onde a sonoridade parece estar relacionada a fase (Cu31Sn8), podendo o teor de estanho atingir 30% com baixos teores de zinco e de chumbo. Com o desenvolvimento da tecnologia foram criados os bronzes especiais que contm pouco estanho ou que no contm estanho. Bronze ao zinco: Corresponde a composies de at 2% de zinco e esse teor sempre inferior ao de estanho. As ligas de 3,5% de Sn e 1,5% de Zn so empregados na fabricao de moedas e medalhas.PROF. CLUDIO ROBERTO LOSEKANN - 2.001

41

CEFETSC GERNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECNICA Tecnologia dos M

Tecnologia_dos_materiais3

Documents

Transcript of Tecnologia_dos_materiais3