Já que os textos sobre o Cobre e o Alumínio ficaram extensos demais, resolvi transferir os conteúdos sobre Níquel e Zinco (que estavam nas mesmas publicações) para um artigo exclusivo e com mais espaço pra adicionar informações sobre estes dois metais não-ferrosos!
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:
Níquel
Imagem 1 - 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.
Zinco
Imagem 2 - Posição do Zinco na Tabela Periódica
O Zinco é o elemento químico de símbolo Zn, número atômico 30, massa atômica 65,4, sendo localizado no grupo 12 da tabela periódica.
Pouco abundante na crosta terrestre, ele é encontrado com relativa facilidade na natureza, sendo comum a associação com o Oxigênio e Enxofre, formando os óxidos e sulfetos. Geralmente, é encontrado com o Chumbo, Prata e Ouro. Em temperatura ambiente é um composto de sulfeto, apresentando-se em estado sólido com coloração branco-azulada, perdendo o brilho rapidamente e tornando-se cinza-azulada.
Os países mais com as maiores reservas de Zinco são Peru, China, Austrália, Estados Unidos e Canadá. O Brasil não apresenta grande concentração do mineral.
Este metal, quando em bloco puro apresenta uma grande resistência à deformação plástica a frio que diminui com o aquecimento, sendo laminado em chapas ou estirado em fios quando a temperatura está acima de valores entre 100 °C e 150 °C. Ligas de Zinco não são tão comuns, sendo seu principal uso em processos de galvanização de Aço ou Ferro, bem como aditivo em ligas de latão e produção de "pilhas secas", aquelas pilhas AA, AAA, C ou D feitas em Carvão-Zinco (não-alcalinas).
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 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 3 - 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 formam 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 1 - 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 4 - 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
CURIOSIDADE: As velas de ignição dos motores de combustão interna fazem uso de Níquel e ligas de Níquel para terem uma durabilidade elevada, já que estão inseridas no cabeçote do motor e seus eletrodos estão em contato direto com a mistura ar / combustível que entra em combustão.
Imagem 5 - A estrutura das velas de ignição
O castelo metálico dos ignitores, por exemplo, pode ser galvanizado com Níquel ou Cromo. Para saber mais sobre velas de ignição, CLIQUE AQUI!
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.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o funcionamento de indutores e transformadores, comece CLICANDO AQUI!
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.
Uma liga binária pouco comum é a de Níquel-Fósforo, que contém quantidades muito baixas de outros materiais. Um uso notável para tal liga é na confecção de discos de HD:
Infográfico 1 - Ligas de Níquel também estão presentes em HDs
-> 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.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o funcionamento de potenciômetros, resistores e cabos de vela, bem como diversos outros exemplos de uso, comece CLICANDO AQUI!
-> 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.
Ligas de Zinco
Para a produção das Ligas de Zinco e Zamac é utilizado Zinco SHG (Special High Grade) conforme norma ASTM B6 (American Society for Testing and Materials), rigorosamente controladas, conferindo ao produto uma alta pureza.
O uso do SHG é muito grande na fabricação de pilhas ácidas e alcalinas:
Imagem 6 - Rótulo da embalagem de uma pilha ácida de Zinco-Manganês
As pilhas ácidas, também conhecidas como "zinco-carvão" ou "zinco-carbono" fazem uso de um 'copo' de liga metálica com algum teor de Zinco (isto pois não são muito magnéticas, isto é, não são atraídas por imãs), como é o caso da linha Super Hyper da Panasonic:
Imagem 7 - O copo é o ânodo (polo negativo)
Dentro do 'copo' há um revestimento composto por uma manta de feltro sintético super denso e embebida em eletrólito (Croleto de Zinco) e um preenchimento do espaço com MnO2 prensado.
Já as pilhas alcalinas de Zinco-Manganês fazem uso de um pó de Zinco no polo negativo:
Imagem 8 - Rótulo da embalagem de uma bateria Alcalina de Zinco-Manganês
Este pó de Zn é separado do pó de MnO2 prensado por um feltro de fibras sintéticas super denso e impregnado com eletrólito (Hidróxido de Potássio):
Imagem 9 - Uma pilha alcalina Zinco-Manganês da Elgin
Dependendo da qualidade do produto, tal pó de Zinco pode ter impurezas, como por exemplo o Ferro (Fe). O ideal é que ele seja o mais puro possível e com aditivos tais como Índio e Bismuto para reduzir o gassing, isto é, o desprendimento de gás Hidrogênio, o que pode gerar aumento da pressão interna da célula e perdas de desempenho.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre acumuladores de energia, comece CLICANDO AQUI!
Só que aqui temos um problema: Assim como as ligas de Cobre, a classificação de ligas de Zinco não é tão difundida internet a fora, havendo várias padronizações também (ASTM, NBR e etc.). Vamos apenas resumir as ligas mais conhecidas, e quando acharmos mais informações atualizaremos este texto!
Zinco-Alumínio
As ligas de Zinco-Alumínio são até bastante utilizadas na eletrônica, como por exemplo terminais de componentes eletrônicos, entre eles fusíveis, resistores e relés. Veja a tabela abaixo, um pequeno fragmento de um catálogo da MTA Automotive:
Folder 1 - Perceba os materiais "Tin Plated Zinc Alloy" (liga de Zinco Estanhada)
Os terminais de fusíveis, resistores, relés, e outros componentes podem ser galvanizados com Estanho independente da liga metálica com que foram produzidos. Além de formar uma película de proteção, o Estanho melhora as condições de solda no caso de componentes PTH (Pin Through Hole) que não são de encaixe em soquete.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre estes e outros tipos de fusíveis, sobre fusistores, termofusíveis e PPTCs, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Em comparação com outras ligas metálicas, o Cobre é 62% condutor de eletricidade, já o Zinco beira os míseros 18%. Ligas de latão (Cobre + Zinco) conseguem ser anda menos condutivas (obviamente, depende da proporção de cada um dos dois metais), atingindo um mínimo de quase 15%.
Outro exemplo de aplicação das ligas de Zinco em sistemas eletrônicos é em placas é em lanternas de veículos, no entanto, diferente de uma placa de circuito de computador ou notebook, onde o substrato geralmente é uma liga polimérica termofixa (tipo Poliepóxido) reforçada com tecido de lã de vidro, nas placas com trilhas de liga de Zinco-Alumínio o substrato é um polímero termoplástico (geralmente Polipropileno) reforçado com 20% ou 40% de Talco. Veja a imagem abaixo:
Imagem 10 - Trilhas feitas com liga de Zinco
Mas qual a composição destas ligas de Zinco utilizadas na eletrônica?
Tabela 2 - Exemplo de Liga de Zinco
A tabela acima é só um exemplo de liga de Zinco. Muitas delas podem ter uma concentração maior de Alumínio, Cádmio e Cobre, bem como ausência de Chumbo.
Os metais aditivos Alumínio e Cádmio são utilizados para produzir um grão mais fino na estrutura do metal fundido, evitando também a polarização anódica causada por formações contínuas, com isso se consegue uma maior eficiência com capacidade de intensidade de corrente mais elevada, além de também neutralizar a ação do Ferro residual existente no Zinco SHG. O Cobre melhora a condução de eletricidade e o Chumbo pode estar ausente por causa de legislações internacionais atuais.
Observe abaixo a imagem de outra placa de lanterna traseira, desta vez a de um FIAT Palio Attractive:
Imagem 11 - Trilhas feitas com liga de Zinco
Ferrites
Seguindo o conteúdo, já que o tópico anterior foi sobre o Níquel, é relevante mostrar que as ligas de Óxido de Ferro (FeO) com Ni-Zn são bastante aplicadas na produção de Ferrites para a indústria eletrônica!
Para saber mais sobre o Ferrite, seja ele FeO Níquel-Zinco ou FeO Manganês-Zinco, basta CLICAR AQUI!
Varistores
Na indústria eletrônica os Varistores são componentes bastante comuns. Pois saiba que eles são feitos de Óxido de Zinco ou Carbeto de Silício, ambos materiais cerâmicos e semicondutores!
Para saber como funciona o varistor e mais detalhes sobre o Óxido de Zinco, CLIQUE AQUI!
Zamac
O Zamac (também conhecido como Zamak) é uma liga metálica composta por quatro elementos, sendo o Zinco o principal. Os demais são Alumínio, Magnésio e Cobre. Perceba que as iniciais de cada elemento forma o nome Zamac.
A liga Zamac foi criada no início do século passado nos EUA. É um material barato, que possui boa resistência e deformabilidade plástica na hora de definir o formato do metal. Pode ser cromado, pintado e até usinado, mediante a necessidade de utilização.
Entre as aplicações técnicas do Zamac encontram-se
-> Carburadores automotivos;
-> Válvulas reguladoras de pressão para botijões de gás.
Uma de suas aplicações mais comuns é na confecção do corpo de cadeados. Observe a figura abaixo, de um rótulo de embalagem:
Imagem 12 - O corpo do cadeado é feito em Zamac 5
Diferentes ligas de Zamac são semelhantes nas características gerais, mas cada uma delas é preparada para favorecer uma propriedade específica. Cada elemento presente contribui com características diferentes. O Alumínio aumenta a fluidez da liga e diminui o desgaste durante o processamento. O Cobre influência na resistência à corrosão e na condutividade de calor. O Magnésio diminui a corrosão gerada a partir de impurezas contidas no Zinco.
Em comparação com outros tipos, o Zamac 5 apresenta maiores teores de Cobre e Magnésio (tendo então uma cor mais alaranjada). Tem uma resistência à temperatura mais alta, é menos propenso ao desgaste e resiste melhor à corrosão.
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 Cobre e Zinco, 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 e Folders: Intel Corporation; MTA Automotive.
Fontes: Infomet; astm.org; metalhaga; documentos técnicos da Intel; Itigic Potugal; motorservice.com; Wikipedia (somente artigos com Fontes Verificadas!).
Ultima atualização: 13 de Agosto de 2023.