CTM: Ligas Não-Ferrosas (Parte 1)
Atualizado: há 7 dias
Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer que ele possui Ferro ou Alumínio, por exemplo. Mas isto vai muito além destes simples materiais.
Assim como plásticos e borrachas, a indústria química desenvolveu várias combinações de materiais, criando vários tipos de ligas metálicas diferentes, que se encaixam nas mais diversas aplicações.
Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los.
Outra coisa fácil de se ver na população leiga e até entre profissionais desses ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errôneos).
Nesta série de artigos, com a concatenação de informações selecionadas em vários sites, escritas por vários autores, trago a explicação resumida sobre as ligas metálicas não-ferrosas mais comuns e exemplos de utilização na indústria química, automobilística, eletrônica e diversas outras, porém, com enfoque na eletrônica e mecânica.
As ligas metálicas não-ferrosas são aquelas em que o Ferro não é o elemento principal, e em muitos casos nem é adicionado ao material.
Dentre as ligas não-ferrosas mais comuns estão aquelas onde o Cobre, o Alumínio e o Níquel são os elementos base, e outros elementos, como por exemplo o Estanho, Zinco, Cromo, Manganês, Magnésio, Silício e o Ferro estão presentes em quantidades menores, alterando características mecânicas, térmicas, elétricas e magnéticas do material.
Neste artigo, serão apresentados dois elementos-base para a criação de ligas não-ferrosas:
Alumínio
Imagem 1 - Posição do elemento Alumínio na Tabela Periódica
Extraído da bauxita, material que compõe cerca de 7% da crosta terrestre, possui uma fonte estável de produção. A bauxita contém de 35% a 55% de Óxido de Alumínio, e através dele se obtém a Alumina, um produto intermediário que leva à produção de Alumínio. O Brasil e a Austrália têm as maiores reservas de bauxita do mundo.
Aqui vão algumas características deste material:
-> O Alumínio puro possui ponto de fusão de 660°C, o que é relativamente baixo comparado ao do aço, que é da ordem de 1570°C;
-> A leveza é uma das principais características do Alumínio. Seu peso específico é de cerca de 2,70 g/cm3, aproximadamente 35% do peso do aço e 30% do peso do cobre;
-> Possui uma fina e invisível camada de óxido, a qual protege o metal de oxidações posteriores. Essa característica de auto-proteção dá ao Alumínio uma elevada resistência à corrosão;
-> O Alumínio puro têm condutividade elétrica de 62% da IACS (International Annealed Copper Standard), a qual associada à sua baixa densidade significa que um condutor de Alumínio pode conduzir tanta corrente quanto um condutor de Cobre, que é duas vezes mais pesado e proporcionalmente mais caro;
-> Possui condutibilidade térmica 4,5 vezes maior que a do aço;
-> Têm uma refletividade acima de 80%, a qual permite ampla utilização em luminárias;
-> Por não ser magnético, o Alumínio é frequentemente utilizado como proteção em equipamentos eletrônicos. Além disso, o metal não produz faíscas, o que é uma característica muito importante para garantir sua utilização na estocagem e transporte de substâncias inflamáveis ou explosivas;
-> A característica de ser infinitamente reciclável, sem perda de suas propriedades físico-químicas.
Aqui serão mostrados alguns dos principais tipos de ligas metálicas não-ferrosas de Alumínio utilizadas pela indústria...
As ligas de Alumínio se dividem em grupos de acordo com os outros elementos em combinação. Veja:
Ligas de Alumínio 1xxx
Ligas com 99% de pureza de Alumínio. Muito utilizadas na indústria química e elétrica. Exemplos: Al-1050, Al-1070, Al-1100 e Al-1200;
Um bom exemplo de uso de ligas de Alumínio 1xxx é na fabricação de coolers de processador, onde é necessário um bloco com várias aletas e circulação de ar forçada (com ventoinha) para manter a temperatura da CPU estável. Veja abaixo o diagrama de um bloco dissipador destes:
Diagrama 1 - Perceba que este cooler, produzido pela Delta Electronics, possui o miolo em Cobre 1100 (99% de pureza)
Seguindo a lógica, quanto maior a eficiência que se deseja em um cooler, maior a pureza das ligas de Alumínio e Cobre utilizadas.
Seguindo a mesma lógica, os radiadores de veículos automotores também são feitos de Alumínio 1xxx. Os tubos por onde passa a água são montados juntos de aletas, formando uma grande colmeia dissipadora de calor.
Em cada extremidade é montada uma 'caixa' para entrada / saída de água e sua distribuição na tubulação de Alumínio. Esta caixa, antigamente, era feita de metal, mais especificamente uma liga semelhante ao da colmeia. Por exemplo, se a colmeia fosse de Cobre puro, as caixas laterais seriam de latão (liga Cobre + Zinco).
Atualmente, as 'caixas' são feitas em PA66-GF e coladas / crimpadas nas extremidades da colmeia, como mostra a imagem abaixo:
Imagem 3 - Note as caixas laterais, geralmente confeccionadas em Poliamida com lã de vidro
Note que a região de interface da caixa com a colmeia. Veja esta outra imagem:
Imagem 4 - Crimpagem da caixa lateral. Ela também recebe uma junta de vedação líquida
As pontas dos tubos de Alumínio são conectadas nesta interface, que recebe um 'banho' de solda, como se fosse um processo de galvanização a quente nas extremidades da colmeia, deixando esta região muitas vezes com uma aparência cromada contrastando com o fosco da colmeia. Isto se torna mais visível em radiadores feitos com Cobre e latão.
CURIOSIDADE: Não é diferente com os radiadores: Assim como todas as outras peças de um veículo, existem aquelas de valor bem mais baixo e que obviamente têm qualidade inferior. Portanto, se fazer uma análise mais aprofundada, com certeza se encontrará radiadores que utilizam-se de ligas de Alumínio ao invés do material puro para baratear o custo de produção.
O Alumínio puro também se faz presente e condensadores e evaporadores de sistemas de ar-condicionado, pois estes nada mais são que radiadores projetados para operarem num circuito preenchido com gás.
Ligas de Alumínio 2xxx
Ligas base Alumínio-Cobre. Um dos tipos de Alumínios aeronáuticos, possui muita resistência mecânica e leveza, além de grande capacidade de conduzir calor. Exemplos: Al-2011, Al-2014 e Al-2024;
Ligas de Alumínio 3xxx
Ligas base Alumínio-Manganês. Utilizadas em aplicações arquitetônicas e setor alimentício. Exemplos: Al-3003, Al-3104 e Al-3105.
No setor alimentício, o uso de Al-3104 é comum para a confecção de embalagens de bebidas, como por exemplo cervejas e energéticos, ou então alimentos, como por exemplo Sardinha e Atum.
Imagem 5 - O Alumínio no setor alimentício
CURIOSIDADE: Para evitar a contaminação do alimento com o Alumínio (o que poderia gerar intoxicações), internamente a embalagem de Al-3xxx é revestida com polímero, que pode ser o mesmo utilizado em garrafas, isto é, o PET (polietileno Tereftalato). Para saber mais sobre este e outros tipos de plásticos, comece CLICANDO AQUI!
Ligas de Alumínio 4xxx
Ligas base Alumínio-Silício. Muito usadas em aplicações para varetas de solda, brasagem, etc. Exemplos: Al-4104 e Al-4004.
As famosas "rodas de liga leve" são componentes que podem ser feitos de Alumínio-Silício com um pequena porcentagem de outros materiais. Esta liga é fundida para gerar os mais diversos designs de rodas. Na próxima imagem, uma roda de liga leve da marca Mangels, cuja composição química é informada na parte de dentro, em alto relevo:
Imagem 6 - Liga de AlSi11Mg. O tampão central que cobre os furos de fixação é composto de resina plástica ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno)
O Alumínio-Silício é utilizado na construção de motores modernos. Em caminhões, enquanto o bloco e o cabeçote do motor são de ferro fundido vermicular, o cárter de óleo - se já não é feito de PA66-GF ou UP-GF - é confeccionado em liga de Alumínio-Silício com pequenas porcentagens de outros elementos, como vemos na próxima imagem:
Imagem 7 - O cárter de um Scania R-Series com a inscrição "AlSi9Cu3Fe"
Em motores de combustão interna atuais para carros de passeio, cujo bloco e cabeçote são confeccionados em Alumínio, há uma composição diferenciada na região dos cilindros, e esta composição pode ser Alusil (marca registrada da Kolbenschmidt AG). A formulação mais comum de Alusil é o "AlSi17Cu4Mg" (ou A390), que contém aproximadamente o 78% de Alumínio e 17% de Silício, sendo o restante Cobre e Magnésio. O uso de ligas Alumínio-Silício traz uma maior dureza (já que o Alumínio puro é demasiado mole), bem como forma uma superfície de rolamento com atrito menor e uma certa retenção / distribuição mais eficiente de óleo lubrificante. Ao fazer uma retífica de bloco (o famoso "passe", que pode retirar em geral 0,25 ou 0,50 mm de material), a espessura deste revestimento é diminuída, deixando o componente mais fragilizado, na maioria dos casos o condenando.
Ligas de Alumínio 5xxx
Ligas base Alumínio-Magnésio. Conhecidas como “alumínio naval”, devido a sua excelente resistência a corrosão em ambientes agressivos. Usada amplamente em moldes de Alumínio para injeção e sopro de materiais poliméricos de baixa densidade. Exemplos: Al-5754, Al-5052 e Al-5083.
Um exemplo de uso da liga Al-5083 é na construção de tanques rodoviários para transporte de combustíveis, como é o caso do modelo cuja plaqueta com especificações técnicas é exibida na imagem abaixo:
Imagem 8 - A plaqueta de especificações é sempre soldada ou rebitada num porta-placas situado na lateral esquerda, parte dianteira do implemento
Outro exemplo de uso do Alumínio 5xxx em implementos rodoviários:
Imagem 9 - Tanque rodoviário da RANDON feito em Al-5088-O
Mais um exemplo:
Imagem 10 - Tanque em liga de Alumínio produzido pela ENOVA
Agora, um exemplo de uso da liga de Alumínio 5xxx que envolve curiosidades sobre o fabricante:
Imagem 11 - Semi-reboque da norte-americana Heil Trailer, produzido no Brasil em meados de 2007 e utilizando liga 5086-0
CURIOSIDADE: A estadunidense Heil Trailer tentou vender sua tecnologia por aqui fazendo parceria com a metalúrgica Boreal, de Quatro Barras, região metropolitana de Curitiba. No entanto, apesar de implementos mais leves utilizando liga de Alumínio (inclusive o chassi), ela não conseguiu o mesmo sucesso que galgou na Argentina com a filial HTI (Heil Trailer International). De qualquer forma pode ser dito que a marca, no Brasil, foi pioneira no que se refere aos tanques rodoviários feitos em liga de Alumínio, mercado que anos depois veio a ser "dominado" pela Metalúrgica Biasi, pela Rhodoss e Triel-HT.
Outro marco da Heil foi fazer tanques policêntricos de Alumínio, algo bem incomum por estas bandas, que atualmente minou-se de gigantescos tanques cilíndricos da Triel-HT, RANDON/Triel-HT, Biasi e Enova. Talvez tenha faltado marketing na época...
Não só estes grandes tanques sobre chassi, mas também os pequenos tanques de combustível dos caminhões podem ser feitos de AlMg, como mostra a imagem abaixo:
Imagem 12 - Tanque de combustível de um Scania R420
As marcas Mercedes-Benz e Volvo também utilizam tanques de Diesel feitos em AlMg.
Se tratando de eletrônicos, as carcaças de HDs (discos rígidos), na maioria dos casos são feitas de liga de Alumínio fundido, com uma pequena porcentagem de Magnésio e Ferro, como podemos ver no seguinte Infográfico:
Infográfico 1 - Composição de carcaças de HDs
Ligas de Alumínio 6xxx
Ligas base Alumínio-Magnésio-Silício. Utilizada em produtos extrudados, como perfis estruturais e arquitetônicos. Liga que aceita muito bem processos posteriores como anodização, soldagem, texturização, etc. Exemplos: 6061 – 6082 – 6351.
O uso de ligas 6xxx também se faz presente em coolers de computador, porém, aqueles mais simples, geralmente as soluções térmicas enviadas junto do processador e feitas apenas para o uso normal (nada de overclock :v). Veja abaixo o diagrama de um bloco dissipador de cooler box Intel:
Diagrama 2 - Bloco dissipador feito pela Nidec utilizando liga Al-6063
Agora, outro diagrama:
Diagrama 3 - Bloco dissipador feito pela Delta Electronics utilizando-se de Al-6063, e CU1100 para o 'miolo'
Um exemplo pouco relevante do uso de ligas 6xxx é nas proteções laterais das carretas atuais (no Brasil se tornou obrigatório após 2011). Se trata de um dispositivo de segurança - funciona como se fosse um "para-choque lateral" - instalado nos espaços vazios entre os eixos da carroceria e que tem como objetivo impedir que pedestres, motociclistas e ciclistas sejam “atropelados” pelos pneus do veículo.
Imagem 13 - Note que não há inscrição de composição química, apenas uma plaqueta indicando homologação do sistema
Em rebocadores, isto é, cavalos mecânicos, o uso das barras não é necessário, no entanto, é feito como reforço de carenagens laterais, que são itens opcionais na compra de um veículo do tipo.
Imagem 14 - As carenagens são feitas de resina plástica - tal como PP+PBT -, porém, há travessas de reforço feitas de AlMgSi (EN AW 6063)
CURIOSIDADE: O que acabamos de ver é um grande exemplo da discrepânica de informações técnicas de muitas peças dependendo da região do planeta em que foram produzidas. Enquanto na Europa a carenagem do Volvo da imagem acima traz a composição química, o part number do fabricante e um genérico selo de homologação "E11 73R-010152" ("E11" significa que foi certificado no Reino Unido), um componente semelhante projetado e produzido aqui traz informações do fabricante, a norma que rege a aplicação da peça e o número do relatório de ensaio juntamente do organismo de inspeção que o fez.
Quando você se deparar com um vidro automotivo verá que há como piorar!
Os vidros são grandes exemplos de uma sopa de letrinhas que envolve, aqui no Brasil, símbolo do fabricante e fornecedor, classe (temperado-laminado, temperado, temperado-tintado), símbolo do Inmetro e número de homologação, homologação norte-americana (DOT), homologação europeia ("Ex 43R") e informações de transparência e coloração. Para saber mais sobre estes vidros, CLIQUE AQUI!
Continuando, peças de suspensão de automóveis, bem como peças de suporte do motor e câmbio podem ser feitas em Alumínio-Magnésio-Silício-Manganês, como é o caso do sistema de suspensão pneumática do Porsche Cayenne, mostrado na imagem abaixo:
Imagem 15 - Parte inferior da torre (bandeja e base da bolsa) com as inscrições "EN AC AlMg5Si2Mn"
Ligas de Alumínio 7xxx
Ligas base Alumínio / Zinco. Também conhecida como "Alumínio Aeronáutico" ou “Duralumínio”. Entre as ligas desta série, destacam-se os subgrupos "Al-Zn-Mg" e "Al-Zn-Mg-Cu". Assim como as ligas "Al-Cu" e "Al-Mg-Si", são ligas endurecíveis por precipitação, ou seja, mediante tratamento térmico controlado em condições específicas, geralmente de solubilização e envelhecimento, apresentam ganhos significativos de dureza.
São excelentes para moldes de injeção de polímeros de alta densidade (tipo o plástico PEHD). Exemplos: Al-7018, Al-7021 e Al-7075.
Um exemplo de uso de ligas Alumínio-Zinco é na fundição de tampas para tanques rodoviários, tal como o modelo da Enova mostrado na Imagem 10. Veja a imagem de uma tampa deste tipo:
Imagem 16 - Tampa de escotilha Metacal "Mod. 2"
Neste tópico trazemos informações suplementares que complementam o conteúdo como um todo...
Die Casting
Recentemente me deparei com um componente automotivo cujas inscrições na carcaça e sua textura remetiam à algum polímero - para a minha pequena experiência no assunto. Se tratava de um pequeno farol em uma empilhadeira Clark, modelo GTS30, fabricada na Coreia do Sul à uns cinco anos atrás.
No componente, assim como na maioria dos faróis genuínos havia a inscrição dos principais materiais utilizados em sua construção.
Imagem 17 - O farol dessa empilhadeira me incentivou a escrever sobre Die Casting
Pois bem, marcado na peça "HOUSING >ALDC<", resolvi jogar no Google ciente de que se tratava de um polímero. Me deparei com "Aluminium Die Casting". Não se trata de nenhum material diferente do que vimos anteriormente neste texto, mas sim de uma liga Alumínio-Magnésio que passou por um processo de fundição injetada, mais conhecida como "Die Casting". A questão é que o fornecedor, ao invés de colocar a abreviação de composição química colocou o método de produção!
A "fundição injetada" ou "fundição sob pressão" é um processo de fundição de metal que envolve a alimentação de ligas não ferrosas fundidas em matrizes (fôrmas) sob alta pressão e em alta velocidade para criar rapidamente produtos moldados. Os principais materiais utilizados na fundição sob pressão são ligas de Alumínio, Magnésio e Zinco.
A fundição sob pressão oferece alta precisão dimensional e permite a produção em massa de produtos finos e de formato complexo.
Vídeo 1 - Animação sobre o processo de produção Die Casting
CURIOSIDADE: Se você gosta de colecionar miniaturas, provavelmente já deve ter ouvido o termo "Die-cast". Pois bem, é o nome popularmente atribuído a modelos de carrinhos em miniatura fabricados com metal injetado.
Na indústria automobilística e até eletrônica o processo de fundição die casting é fundamental.
Imagem 18 - Várias peças de carros podem ser feitas em liga de Alumínio moldadas através de fundição sob pressão. Créditos: Ryobi Limited
Para a eletrônica podemos citar, por exemplo, o bloco óptico de leitores de CD, DVD e Blu-Ray!
Imagem 19 - Cabeçotes de players de discos ópticos possuem uma carcaça em liga de Alumínio produzida através de Die Casting
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre leitores e gravadores de mídias ópticas, CLIQUE AQUI!
Este é só um 'pequeno' resumo do uso de tais materiais pela indústria mecânica e elétrica / eletrônica. Apesar de existirem vários padrões internacionais, como por exemplo o ASTM - que é um dos mais comuns -, são milhares as ligas não-ferrosas com base em Alumínio e Níquel, e aqui só foram apresentadas algumas delas, juntamente com um 'punhado' de exemplos de uso no nosso cotidiano, mas que já servem pra embasar a magnitude e complexidade da CTM nessa área.
Se você achou alguma inconsistência ao longo do texto, ficou com alguma dúvida ou possui mais informações para acrescentar neste artigo, não deixe de entrar em contato com o HC!
Nosso e-mail é hardwarecentralr@gmail.com!
FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens: Leonardo Ritter; Google Imagens
Diagramas: Intel Corporation.
Fontes: Infomet; astm.org; Universidade Federal do Rio Grande do Sul; metalhaga; documentos técnicos da Intel; Ryobi Limited; Wikipedia (somente artigos com Fontes Verificadas!).
Última atualização: 07 de Maio de 2023.