Ligas Metálicas Não Ferrosas

Se você já comprou um carro provavelmente deve ter ouvido a seguinte frase: “As rodas desse carro são de ligas leves”. Mas o que isso significa? Será que existem rodas de ligas pesadas?

 

Ligas metálicas são materiais formados por meio da combinação de diversos elementos químicos (dentre os quais pelo menos um será elemento metálico) que se ligam maioritariamente por ligações metálicas. Essa combinação de elementos surge da necessidade de se obter materiais capazes de resistir a situações nas quais um material feito de um único elemento metálico não conseguiria suprir, como por exemplo, resistência à corrosão, resistência mecânica, resistência a altas temperaturas entre tantas outras propriedades.

 

De modo geral, a formação de ligas metálicas se inicia pelo estudo dos componentes que serão misturados. É importante conhecer a estrutura cristalina de cada componente, bem como os pontos de fusão, raios atômicos, densidade, entre outras características. Após essa análise, os diversos componentes são misturados nas devidas proporções e aquecidos até o maior ponto de fusão dentre os componentes em questão, garantindo a total homogeneidade da liga. A liga é mantida sob aquecimento por um determinado período de tempo e em seguida é submetida a um resfriamento até a temperatura ambiente. É durante o resfriamento que temos a formação das fases e dos constituintes das ligas.

 

Todas as características de formação dessa liga, como por exemplo, tipos de estruturas cristalinas, ponto de fusão, solubilidade dos elementos, fases, constituintes, entre outras características podem ser encontradas no que chamamos de diagrama de fases.

 

Neste artigo iremos abordar as ligas metálicas não ferrosas, deixaremos as ligas ferrosas para um próximo texto. Ligas não ferrosas são aquelas que não possuem o elemento químico ferro em sua composição, ou, se possuírem ferro, ele está presente em pequena quantidade.

 

Na figura 1 temos uma representação esquemática dos tipos de ligas não ferrosas comercializadas nos dias de hoje.

 

Figura 1 – Ligas não ferrosas comerciais.

 

Existe uma quantidade enorme de ligas não ferrosas, algumas bastante conhecidas, como o bronze e o latão, e outras não tão conhecidas, como por exemplo ligas de titânio, superligas entre outras.

 

A primeira liga não ferrosa de que temos conhecimento foi o bronze, obtido a partir da mistura de Cobre (Cu) e Estanho (Sn). Esta é uma liga forte, resistente à corrosão e de fácil fundição. Muito utilizada na produção de esculturas, na fabricação de instrumentos musicais e componentes industriais. O bronze já é utilizado há milhares de anos. Cabe lembrar que a humanidade passou pela idade do Bronze por volta do quarto milênio a.c no antigo Oriente Próximo, sendo considerado por alguns como o berço da nossa civilização.

 

Um tipo de bronze pouco falado, porém bastante usado na indústria é o bronze fosforoso. Diversos componentes mecânicos são produzidos a partir desta liga, devido as suas características como excelente usinabilidade, facilidade no processo de soldagem, além de possuir grande resistência à corrosão e capacidade de conduzir eletricidade.

 

Segundo o site da empresa coppermetal, a dureza do bronze está diretamente relacionada à quantidade de estanho na mistura, podendo chegar até 12% do valor total da liga, além de possuir uma densidade de 8,75 g/cm³. O uso do fósforo faz com que o bronze se torne mais resistente ao desgaste, ideal para produção de mancais, coroas, engrenagens, anéis de vedação, componentes de válvulas, elevadores, empilhadeiras e até mesmo pontes rolantes.

 

Outros tipos de bronze são:

 

• o bronze manganês: possui grande resistência a corrosão, usado na fabricação de engrenagens e sistemas de válvulas de pressão.
• o bronze alumínio: com alta resistência à corrosão, pode ser empregado na confecção de peças deslizantes submetidas a cargas e na fabricação de coroas.

 

O latão também é muito usado, formado pela mistura do cobre (67%) com o zinco (33%). É uma liga maleável, brilhosa e com boa condutividade elétrica e térmica. Muito usada na confecção de munições, aparelhos médicos, parafusos, porcas, dobradiças, chaves, molas, metais sanitários e bijuterias. Hoje temos mais de 10 tipos de ligas de latão que diferem basicamente pela porcentagem dos metais que o compõe.

 

Outra liga bem conhecida é a amálgama. Essa liga é uma mistura de 70% de prata, 18% de estanho, 10% de cobre e 2% de mercúrio, sendo uma das ligas mais usadas nos consultórios odontológicos. Porém acabou sendo substituída devido à restrição no uso do mercúrio, que é extremamente tóxico aos seres vivos.

 

As ligas não ferrosas acabam sendo caracterizadas por possuírem baixa densidade, alta condutividade térmica e elétrica, além de uma maior resistência à corrosão quando comparadas as ligas metálicas ferrosas. As ligas mais utilizadas na indústria são as que possuem o alumínio em sua composição. Isso acontece devido ao alumínio ser um dos elementos químicos mais abundantes na crosta terrestre, por volta de 7% no total. O minério com maior concentração desse elemento é a bauxita e para nossa felicidade o Brasil figura entre os países com maior concentração desse minério.

 

As ligas de alumínio (Al) podem conter diferentes elementos químicos, como o cobre, magnésio, silício, manganês e zinco. Tais ligas possuem elevada condutividade térmica e elétrica além de possuirem alta resistência à corrosão. Podemos dividir os efeitos dos elementos na liga de alumínio em três grupos.

 

1. Os elementos Cobre (Cu), Magnésio (Mg) e Zinco (Zn) formam soluções sólidas intermetálicas em diferentes percentuais e temperaturas, já que possui pouca ou nenhuma solubilidade entre eles.
2. Os elementos Silício (Si) e Estanho (Sn) formam um ponto eutético em suas ligas (o ponto eutético da liga é definido pela composição química que apresenta o menor ponto de fusão). O Silício forma o ponto eutético com 12,6% em peso deste elemento e a fase rica em Alumínio apresenta baixo teor de Silício.
3. Os elementos Ferro (Fe), Manganês (Mn), Níquel (Ni), Titânio (Ti) e Cromo (Cr) são pouco solúveis no Alumínio, formando algumas fases ou compostos intermetálicos, promovendo alterações nas propriedades do alumínio mesmo em pequenas quantidades.

 

Outra liga não metálica que possui uma grande variedade de aplicações, são as ligas de titânio. As ligas de titânio são extremamente resistentes mecanicamente, possuem uma alta resistência à tração, além de possuírem alta ductilidade, sendo facilmente forjadas e usinadas.

 

Por possuirem alta resistência à corrosão, as ligas de titânio podem ser aplicadas em ambientes insalubres como no meio marinho, na indústria de petróleo e gás, em aplicações espaciais, em aeronaves e até mesmo no corpo humano. As ligas monofásicas alfa, em geral, possuem elevados teores de alumínio, auxiliando no aumento da resistência à oxidação em temperaturas elevadas. Já as ligas bifásicas alfa-beta também possuem altas concentrações de alumínio, mas na função de estabilizar a fase alfa. As ligas bifásicas alfa-beta, quando tratadas termicamente passam a ter boa combinação de resistência mecânica e ductilidade, sendo mais resistentes do que as ligas alfa e beta. As ligas beta são metaestáveis, ou seja, tendem, a se transformarem em ligas bifásicas.

 

Na faixa de temperaturas de 150 a 500 °C as ligas de titânio são os materiais mais indicados na confecção de componentes de turbinas. As ligas de titânio apresentam densidade e resistência mecânica intermediárias entre as ligas de alumínio e dos aços. As ligas de titânio mais usadas são: Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2,5V, Ti-662 (Ti-6Al-6V-2Sn-0,5Cu-0,5Fe).

 

As superligas são materiais empregados em situações em que se exige resistência a ambientes oxidantes e com altas temperaturas, como por exemplo turbinas de aeronaves, reatores nucleares e equipamentos da indústria petroquímica. As primeiras superligas a serem produzidas foram as superligas de níquel, cobalto e de ferro nos Estados Unidos nos anos de 1930. Porém, ao longo dos anos, as superligas de níquel se tornaram as mais utilizadas, principalmente em aplicações extremamente severas como motores de foguetes, veículos espaciais, reatores nucleares, submarinos, usinas termoelétricas e equipamentos petroquímicos. Entretanto, a principal aplicação dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas à jato.

 

Existem diferentes tipos de superligas de níquel com diferentes composições químicas. Isso resulta em materiais com ótimas propriedades mecânicas, sendo usadas em uma ampla faixa de temperaturas. Um dos motivos que diferencia as superligas de níquel das outras ligas é a estrutura cristalina da sua matriz, pois o fato da liga possuir uma estrutura cristalina cúbica de fase centrada (CFC) permite que o material apresente boa resistência à tração e ao comportamento em fluência para temperaturas homólogas mais altas quando comparado as outras ligas que possuem uma matriz cúbica de corpo centrado (CCC).

 

As superligas de níquel também apresentam boa resistência ao impacto, à fadiga cíclica e à fadiga térmica. O níquel puro possui densidade de 8,9 g/cm³, ponto de fusão de 1455 ºC, estrutura cristalina CFC (cúbica de face centrada). A densidade da maioria das superligas de níquel fica entre 7,79 e 9,32 g/cm³. Por exemplo, a densidade da Inconel 100 que contém cerca de 60 % de níquel é de 7,79 g/cm³, ao passo que as superligas com altos teores de tungstênio e tântalo chegam a densidades da ordem de 9,07 g/cm³.

 

Ao final dos anos 1950 o aumento das temperaturas de serviço das turbinas era limitado pela capacidade das ligas trabalhadas disponíveis, que, além disso, apresentavam dificuldades no forjamento. Por este motivo, ligas com composição química que permitem alta resistência mecânica só podem ser fabricadas por fundição, entre as ligas fundidas mais usadas estão a 713C, a Inconel 100, a B-1900, a Udimet 500, a René 77, a René 80 e a Inconel 738.

 

Algumas referências utilizadas neste texto.

 

• Livro – Metais não ferrosos e suas ligas: Microestrutura, propriedades e aplicações – Cássio Barbosa
• http://www.icz.org.br/index.php
• https://www.infomet.com.br/site/