• Drano Rauteon

CTM - Ligas Não-Ferrosas (Parte 1)

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.

 

Níquel


Imagem 2 - Posição do elemento Níquel na Tabela Periódica


O Níquel é um metal de transição, de símbolo Ni, resistente a altas temperaturas, corrosão e oxidação. Por essas propriedades, é aplicado em ligas metálicas, na fabricação do aço inoxidável e no revestimento de outros metais.

Este material está presente em pequenas quantidades no ar, na água, nas plantas e nos alimentos, também em utensílios do nosso cotidiano, como moedas, baterias, bijuterias e acessórios, porém sua toxidade ao organismo só se manifesta quando ingerido em altas doses ou inalado por longo tempo.

O Níquel se apresenta como um metal branco prateado, maleável, similar em muitos aspectos ao Ferro, como por exemplo a excelente propriedade magnética. O Brasil está em décimo lugar em reservas de Níquel, que é extraído principalmente de solos lateríticos e de minerais sulfetados.


Os lateríticos, que compõem cerca de 70% das reservas de Níquel, são solos compostos pela degradação das rochas de origem, com grande quantidade de óxidos de metais. A garnierita é a espécie mineral do grupo dos oxidados que contém a maior porcentagem de Níquel, e o refino dele é feito por processo pirometalúrgico.

Os minerais sulfetados são compostos pela combinação de metaloides com Enxofre. Os minérios sulfetados representam 55% da produção de Níquel, que são extraídos através de um processo de fundição.


É utilizado principalmente na melhoria de resistência mecânica em altas temperaturas, resistência à corrosão e outras propriedades para uma ampla gama de ligas ferrosas e não-ferrosas.

Aqui serão mostrados alguns dos principais tipos de ligas metálicas não-ferrosas utilizadas pela indústria com base nos dois elementos apresentados anteriormente, começando pelas...


Ligas de Alumínio


As ligas de Alumínio se dividem em grupos de acordo com os outros elementos em combinação. Veja:


-> LIGAS 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 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 3xxx: Ligas base Alumínio-Manganês. Utilizadas em aplicações arquitetônicas. Exemplos: Al-3003, Al-3104 e Al-3105.


-> LIGAS 4xxx: Ligas base Alumínio-Silício. Muito usadas em aplicações para varetas de solda, brasagem, etc. Exemplos: Al-4104 e Al-4004;


CURIOSIDADE: Em motores de combustão interna atuais, cujo bloco é confeccionado 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 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 5 - A plaqueta de especificações é sempre soldada ou rebitada num porta-placas situado na lateral esquerda, parte dianteira do implemento


Não só estes grandes tanques sobre carretas, mas também os pequenos tanques de combustível dos caminhões podem ser feitos de AlMg, como mostra a imagem abaixo:

Imagem 6 - Tanque de combustível de um Scania R420


-> LIGAS 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'


CURIOSIDADE: 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 deste sistema de suspensão pneumática do Porsche Cayenne, mostrado na imagem abaixo:

Imagem 7 - Parte inferior da torre (bandeja e base da bolsa) com as inscrições "EN AC AlMg5Si2Mn"


-> LIGAS 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, tipo o modelo da Biasi mostrado na Imagem 5. Veja a imagem de uma tampa deste tipo:

Imagem 8 - Tampa de inspeção Metacal "Mod. 2"


 

Ligas de Níquel


Em relação ao sistema de classificação, o Níquel se divide em cinco famílias:


-> Níquel comercialmente puro: Os principais exemplos são o Níquel 200 e o Níquel 201 que contêm cerca de 99,5% de Ni. Ambos são particularmente resistentes à atmosferas cáusticas, de halogênios em altas temperaturas, meios onde há sais e meios oxidantes.

O uso destas ligas de Níquel é comum em sistemas que utilizam Cobre puro (Cobre eletrolítico, sendo o tipo mais comum o CU11000). A superfície é galvanizada com Níquel 200 para inibir a oxidação do Cobre. Na eletrônica, heatspreaders de processadores e muitos heatpipes de coolers são feitos de Cobre com Níquel eletrodepositado (galvanização a frio). A camada de Níquel formada é de poucos átomos de espessura, sendo insuficiente para alterar as características de condução de calor do Cobre. Observe a imagem abaixo, de um processador AMD Sempron 145:

Imagem 9 - Após lixamento, perceba o Cobre CU1100 por debaixo da galvanização com Níquel 200


Outro uso para o Níquel puro é em ligas de Aço, onde junto com o Cromo e alguns outros elementos em pequenas quantidades forma os Aços INOX.

Uma alternativa para alguns sistemas feitos em Aço-Carbono é a galvanização com Níquel ao invés do Zinco. É o caso de alguns coolers BOX antigos da Intel, onde a base de fixação do cooler na placa-mãe é também a base de fixação do bloco dissipador. Observe a imagem abaixo:

Diagrama 4 - O "C50s" é outro padrão de nomenclatura para o Aço-Carbono SAE 1050


Agora, a imagem de um cooler com o componente descrito no diagrama acima:

Imagem 10 - Perceba que o bloco dissipador é encaixado ao centro da base. Nas quatro extremidades da base localizam-se as travas de fixação do cooler na placa-mãe


O Duraníquel 301, uma liga endurecida por precipitação, possui cerca de 94% de Ni e apresenta excelentes propriedades elásticas a aproximadamente 300ºC. Durante seu tratamento térmico, partículas de Ni3AlTi precipitam-se através da matriz. A precipitação aumenta a resistência mecânica da liga. Em termos de resistência à corrosão, apresenta as mesmas propriedades do Níquel 200 e do Níquel 201;


-> Ligas binárias: Exemplos de ligas binárias são Ni-Cu e Ni-Mo.

Das categorias que compõem as ligas binárias, a mais comum é a liga Ni-Cu, também conhecida pelo nome comercial Monel, que também apresenta pequenas quantidades de Al, Fe e Ti. As ligas Ni-Cu diferem do Níquel 200 e do Níquel 201 pelo fato de sua resistência mecânica e dureza aumentarem devido ao endurecimento por envelhecimento. Embora possuam aspectos comuns em termos de resistência à corrosão ao Níquel comercialmente puro, sua resistência aos ácidos sulfúrico e fluorídrico e à salmoura é melhor, como também devemos ressaltar sua resistência ao trincamento atribuído à corrosão sob tensão em meios clorosos. Os equipamentos submetidos a água salgada ou água salobra, são as principais aplicações.

Outras ligas binárias comercialmente importantes são as de composição Ni-Mo. Destaca-se entre elas a liga de nome comercial Hastelloy B-2, que oferece uma excelente resistência a ácidos clorídricos e também a qualquer meio redutor. Também possuem alta resistência mecânica em atmosferas de gases inertes em temperaturas elevadas.


Uma liga de Níquel muito conhecida na eletrônica é a "Permalloy", criada em 1914 pelo físico Gustav Elmen, da Bell Labs. É um material notável por sua altíssima permeabilidade magnética, baixa coercividade, magnetostrição próxima de zero e magnetoresistência anisotrópica, o que o torna útil como núcleo magnético de indutores e transformadores e também em blindagem magnética. Esta liga deve receber tratamento térmico especial para que adquira as propriedades magnéticas desejadas para cada aplicação.

Com valores entre 70 e 90% de Níquel e o restante composto por Ferro, ao Permalloy também pode ser incluído pequenos teores de outros elementos químicos, como por exemplo o Cobre, o Cromo e o Molibdênio. Uma das formas de identificação do tipo de Permalloy se dá por um prefixo numérico que denota a porcentagem de Níquel na liga. Por exemplo:

-> 45-Permalloy: Significa uma liga contendo 45% de Níquel e 55% de Ferro.

-> Molibdênio-Permalloy: Inventado na Bell Labs em 1940, é uma liga de 81% de Níquel, 17% de Ferro e 2% de Molibdênio. Na época, quando utilizado em linhas telegráficas de Cobre de longa distância, permitiu um aumento de dez vezes na velocidade máxima de trabalho da linha.

-> Supermalloy: Com 79% Ni, 16% Fe e 5% Mo, também é conhecido por seu alto desempenho como um material magnético "macio", caracterizado por alta permeabilidade e baixa coercividade.


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Uma desvantagem da Permalloy é não ser muito dúctil ou trabalhável, de modo que aplicações que exigem formas elaboradas, como blindagens magnéticas, são feitas de outras ligas de alta permeabilidade, como Mu-metal.


Mu-metal (O nome veio da letra grega "mu" - μ -, que representa a permeabilidade em fórmulas de física e engenharia.) é uma liga ferromagnética macia de Níquel-Ferro com permeabilidade muito alta, sendo utilizada para blindar equipamentos eletrônicos sensíveis contra campos magnéticos estáticos ou de baixa frequência.

Há várias formulações diferentes desta liga e que são vendidas sob nomes comerciais, como por exemplo "MuMETAL", "Mumetall" e "Mumetal2". Uma das formulações mais comuns é composta por aproximadamente 77% de Níquel, 16% de Ferro, 5% de Cobre e 2% de Cromo ou Molibdênio, porém, todas elas são padronizadas pela ASTM A753 Alloy Tipo 1, 2, 3 e 4, sendo este último composto por aproximadamente 80% de Níquel, 5% de Molibdênio e pequenas quantidades de vários outros elementos, como por exemplo Silício, bem como 12 a 15% de Ferro.


-> Ligas ternárias: Exemplos de ligas ternárias são o Ni-Cr-Fe e o Ni-Cr-Mo.

Ligas Ni-Cr-Fe são conhecidos comercialmente como Inconel 600 e Incoloy 800. O Inconel 600 tem boa resistência tanto em meios oxidantes quanto em meios redutores, podendo ter essas e outras características melhoradas através de altas temperaturas. O Incolloy 800 possui boa resistência à oxidação e à carbonetação quando em temperaturas elevadas.

As ligas Ni-Cr-Mo são altamente resistentes à corrosão alveolar. Elas retêm grande resistência mecânica e à oxidação a elevadas temperaturas. Têm grande aplicação na indústria, principalmente em equipamentos submetidos a meios aquosos. Neste grupo, as principais ligas são as de nome comercial Hastelloy C-276, Hastelloy C-22 e o Inconel 625.

Aqui também temos as ligas conhecidas como "Nicromo", amplamente utilizadas na fabricação de resistores para a indústria eletrônica. Nicromo é o nome genérico para ligas Ni-Cr-Fe, onde o elemento Ferro se apresenta em menor quantidade (sendo até suprimido do nome da liga). A porcentagem de cada um destes três elementos na liga bem como o tratamento térmico variam de acordo com a necessidade, afinal sua aplicação é muito ampla, sendo encontrado em:


-> Potenciômetros;

-> Cabos de vela de motores de combustão interna

-> Aquecedores

-> Torradeiras;

-> Chuveiros elétricos e etc.


CURIOSIDADE: Todos os componentes / equipamentos listados acima podem se utilizar também de ligas Fe-Ni-Cr, que levam tal nome pois possuem uma porcentagem de Ferro igual ou superior ao do Níquel.


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-> Ligas complexas: Exemplos de ligas ternárias são o Ni-Cr-Fe-Mo-Cu (com a possibilidade de outros elementos adicionais).

O sistema Ni-Cr-Fe-Mo-Cu é a composição básica desta categoria. Elas oferecem boa resistência à corrosão alveolar ("pitting"), à corrosão intergranular, à corrosão sob tensão em meios clorosos e à corrosão uniforme em uma larga escala de meios oxidantes e redutores. Estas ligas são geralmente usadas em aplicações envolvendo ácidos sulfúrico ou fosfórico.

As ligas mais comuns são as de nome Hastelloy G-3, Inconel 617, 625, e 718; e o Incolloy 825;


-> Superligas: Ligas de Níquel de grande importância, especialmente desenvolvidas para serviços sob condições de alta resistência mecânica a altas temperaturas. A principal exigência mecânica para tal serviço é a alta resistência à fluência.


CURIOSIDADE: O mecanismo da fluência está relacionado ao movimento termicamente ativado das discordâncias (defeitos cristalinos lineares) através da rede cristalina. Os principais requisitos para alta resistência à fluência são: uma matriz que possua um alto valor de módulo de elasticidade e uma baixa taxa de difusão quando em temperaturas elevadas.


As superligas de níquel normalmente contêm elementos como Cromo, Cobalto, Ferro, Molibdênio, Tungstênio e Nióbio. O efeito destes elementos solutos é o fortalecimento da matriz que depende da diferença de tamanho do Níquel e do soluto com a finalidade de conter o movimento das discordâncias.

Outro principal mecanismo de aumento de resistência mecânica é a precipitação do composto intermetálico (Ni3 (Al, Ti)), designado por "g'", cuja rede cristalina configura-se como cúbica de faces centradas (CFC). A semelhança estrutural permite à fase "g'" precipitar coerentemente com a matriz, dando grande estabilidade a temperaturas elevadas e dificultando o movimento das discordâncias. A resistência ao movimento está relacionada ao tamanho das partículas "g'". As quantidades de Titânio e Alumínio (entre 1% e 5% para cada elemento) determinam a extensão da formação do precipitado.

Dentre as superligas destacam-se as com nome comercial Waspaloy, Udimet 700, Astroloy, Rene 95 e a Nimonic. Uma grande aplicação para as superligas está relacionada à produção de componentes de turbinas à gás e na indústria aeronáutica.


CURIOSIDADE: Como pôde ser visto, as ligas são melhores reconhecidas pelo seus nomes comerciais, tais como Monel, Hastelloy, Inconel, Incoloy, Permalloy e etc.


Aqui podemos incluir um exemplo de uso de superligas de Níquel, já que esta definição é um tanto quanto genérica. O Nikasil (marca registrada da Mahle para Carbeto de Níquel-Silício) é uma matriz de Níquel com partículas de Carboneto de Silício incorporadas que reveste uma superfície metálica através de galvanização. Suas incríveis características tribológicas tornam o Nikasil uma superfície de contato ideal para pistões e anéis. Assim, ele é utilizado como revestimento de cilindros em blocos de Alumínio para motores de combustão interna, minimizando o atrito. Da mesma forma que o seu concorrente Alusil, uma retífica de bloco só é válida quando o revestimento é refeito ao invés de ser simplesmente retirado (o "passe" comentado anteriormente).

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; metalhaga; documentos técnicos da Intel; Wikipedia (somente artigos com Fontes Verificadas!).

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