Nesta unidade temática, você vai aprender

• Características dos metais não ferrosos;

• Principais aplicações;

• Nomenclaturas adotadas;

• Formas de obtenção.

Metais Não Ferrosos

Como foi visto na introdução, os metais não ferrosos não apresentam o elemento químico ferro como principal componente da liga. No entanto, em algumas delas, ele pode estar presente.

De acordo com Santos (2015), as ligas não ferrosas podem ser agrupadas por algumas características comuns. A Figura 1 apresenta um diagrama de blocos que simplifica bem essa ideia.

Na Figura 1, as ligas não ferrosas estão agrupadas como ligas leves (ou de baixa densidade); ligas de cobre (não esquecendo de que o cobre puro tem grande aplicação); ligas para alta temperatura (até 1300 ºC); ligas de baixo ponto de fusão (abaixo de 600 ºC) e ligas refratárias (com fusão acima de 1800 ºC). Essas ligas podem ser trabalhadas mecanicamente ou diretamente do líquido para formar uma peça.

Ligas Leves

Neste grupo, estão incluídos os metais alumínio, magnésio, titânio e berílio, juntamente com suas ligas. São considerados como baixa densidade valores menores que 4,5 g/cm³.

Alumínio e suas ligas

O alumínio é considerado, hoje em dia, o segundo grupo de metais em consumo como material de construção após os ferrosos, apesar de ser um metal considerado recente industrialmente, isso devido a sua aplicação e relevância. A sua extração do principal minério, a bauxita (o Brasil apresenta boas reservas), só se tornou economicamente viável depois que a eletricidade passou a ser disponível em larga escala, mesmo sendo um dos metais de maior incidência na crosta terrestre. Isso porque a sua extração termicamente é inviável, assim de forma eletrolítica, esse metal tem cada vez mais uso em engenharia. O seu processo de extração não é muito barato, pois é um metal de rápida oxidação, por isso seu valor é 2 ou 3 vezes maior que o do ferro. No entanto, suas características de resistência à oxidação, resistência específica, condução elétrica e térmica, grande ductilidade, facilidade de fusão, boa usinagem e soldabilidade fazem com que essas ligas tenham alta aceitação no mercado. É um metal encontrado como produto desde utilidades domésticas até na indústria aeroespacial.

As ligas de alumínio são divididas em ligas de trabalho mecânico e ligas de fundição. Nas duas situações, existem ligas que podem ser endurecíveis por tratamento térmicos e as não endurecíveis. No caso das trabalháveis mecanicamente, ainda se pode ter as endurecíveis por encruamento. A principal forma de nomenclatura adotada no Brasil vem da Aluminium Association. No caso das de trabalho mecânico, a classificação consiste de 4 algarismos, sendo que o primeiro é da família das ligas ou do elemento principal, conforme Quadro 1. No caso das ligas de fundição, a ordenação é vista no Quadro 2. Os outros algarismos representam ou a ordem de criação ou uma possível modificação na liga original (SANTOS, 2015; CALLISTER e RETHWISCH, 2016).

Faz parte desta classificação a inclusão de uma letra como sufixo da liga, Quadro 3.

Em termos de resistência à corrosão, ele resiste bem à corrosão atmosférica, soluções salinas, água do mar, atmosferas sulfurosas ou muito úmidas, ácidos orgânicos. Não resiste muito à água pura em altas temperaturas, ácidos minerais, sobretudo o ácido clorídrico, ácido fórmico. As ligas que contêm cobre são as menos resistentes à corrosão (COUTINHO, 1992).

Magnésio e suas ligas

O magnésio é um metal bastante atraente para engenharia devido a sua baixa densidade, na ordem de 1,7 g/cm³. Associando essa massa específica com a resistência mecânica, suas ligas são bastante empregadas devido a essa resistência específica. Principalmente na indústria aeroespacial, dependendo dos elementos de liga e tratamento térmico, apresentam resistência mecânica próxima às ligas de alumínio. O magnésio puro não é de grande aplicação por ser um metal de baixa ductilidade, seu uso mais pronunciado no estado puro é como metal de sacrifício (SANTOS, 2015; CALLISTER E RETHWISCH, 2016). Apresenta boa usinabilidade, no entanto, deve-se ter cuidado com uma refrigeração, pois seus cavacos podem ser facilmente oxidados e a reação exotérmica leva a uma violenta queima. Finamente dividido, pode ser usado como combustível sólido e aplicado em explosivos. Possui boa soldabilidade. Pode ser encruado em temperatura ambiente. Como tratamento térmico, aceita o recozimento e algumas ligas podem receber endurecimento por precipitação. A nomenclatura adotada segue a Magnesium Association (EUA) no qual expressa as ligas com 5 algarismos alfanuméricos. Iniciando com duas letras indicando os elementos químicos principais (ver Quadro 4), 2 ou 3 algarismos indicando o percentual arredondado (x10) e uma letra indicando a ordem de padronização (Quadro 5). Podendo apresentar sufixos como as ligas de alumínio.

As principais aplicações do magnésio são como elemento de liga em alumínio, produção de ligas de magnésio, dessulfurante e desoxidante (aços), peças e componentes de aviação, automóveis entre outros.

Titânio e suas ligas

O titânio, e suas ligas, é um metal recente como material de engenharia (após 1950). Isso devido ao grau tecnológico e custo de seu processo de redução dos minérios, principalmente rutilo e anatásio. No entanto, sua excelente resistência mecânica (ultrapassando 1000 MPa em algumas ligas) combinada com sua baixa densidade (4,5 g/cm³), sua resistência à corrosão e oxidação, seu alto ponto de fusão (1668 ºC), faz com que seja de grande utilidade em aplicações como indústria aeroespacial e aeronáutica, componentes de turbina e motor a jato, carros de competição, implantes biomédicos (em próteses) e trocadores de calor, entre outros. Ele é empregado na forma pura ou em ligas. A liga mais conhecida, pelo desenvolvimento aeronáutico, é a Ti-6Al-4V, sendo os valores numéricos o percentual em peso. Esse metal também apresenta alotropia em função da temperatura, sendo suas fases chamadas de alfa, hexagonal compacta, na temperatura ambiente; e fase beta, cúbico de corpo centrado, com ocorrência acima de 883 ºC (SANTOS, 2015; CALLISTER e RETHWISCH, 2016). Forma ligas com Al, Sn, V, Mo, Nb, Mn, Cr, Fe, Co, Ta para as mais diversas aplicações hoje em dia. A Figura 2 apresenta um resumo das ligas de titânio correlacionando fases presentes com características.

Cobre e suas ligas

O cobre é um metal de uso na humanidade bastante antigo e de grande relevância, tanto que seu nome deriva de "metal da ilha de Chipre", em latim Aes Cyprium, com o tempo o elemento químico virou cuprum, com símbolo químico Cu. É considerado como um metal da classe dos nobres, devido à sua resistência à corrosão. É um metal de grande aplicação na condição puro, chegando a 70 ou 80%. Devido à sua coloração, é muito usado em joalheria, arquitetura e decoração. Muito boa aplicação na indústria naval por causa de sua resistência à corrosão. A sua característica de condução elétrica e térmica faz com que seja aplicado nessas áreas. Sua resistência mecânica e dureza são relativamente baixas, melhora um pouco em algumas ligas; a melhor família delas é a cobre-berílio. As suas principais ligas são agrupadas em latões, bronzes e cuproníquel (SANTOS, 2015).

Latão: o principal elemento de liga é o zinco (chegando até 40%), podendo ter latões ao chumbo e ao estanho. A função do zinco é aumentar a resistência mecânica, aumentar a ductilidade, a sua presença baixa o ponto de fusão e o custo. O Quadro 6 apresenta algumas ligas e principais aplicações.

Bronze: é uma liga conhecida e aplicada desde a antiguidade. O principal elemento de liga é o estanho. Sua presença aumenta o limite elástico, aumenta a dureza, aumenta a ductilidade, para teores até 10%. Devido ao preço mais alto do estanho, surgiram ligas com Pb, Al, Be e Si. O bronze apresenta melhor resistência à corrosão que o latão. O Quadro 7 mostra algumas ligas e suas aplicações principais.

Cuproníquel: o elemento químico adicionado é o níquel, podendo chegar a 30%. A presença do níquel aumenta muito a resistência à corrosão, melhor que as outras ligas.

O cobre e suas ligas são empregadas em processo de fundição ou por conformação mecânica (CALLISTER e RETHWISCH, 2016; SANTOS, 2015). Adotam a designação da UNS (Unified Numbering System for Metals and Alloys); Começa com a letra “C” seguida de 5 algarismos sem significado em termos de composição química ou resistência; Os algarismos destinam-se apenas a distinguir as diferentes ligas existentes. As ligas trabalháveis recebem numeração de 1 a 7 e as de fundição de 8 a 9. Podem receber também designação de grau de encruamento.

Níquel e suas ligas

O níquel e suas ligas apresentam grande resistência à corrosão e à oxidação em diversos ambientes, inclusive em altas temperaturas, tipo até 1200 ºC, mantendo boa resistência mecânica. Também utilizado como revestimento protetor de metais, muito empregado na proteção dos aços. Apresenta módulo de elasticidade próxima ao do aço. Seu maior emprego é na produção de aços (chegando a 65%), onde nos aços inox austeníticos confere excelente resistência à corrosão. Outra característica desse elemento nos aços é trazer a fase austenítica para a temperatura ambiente. Existem várias séries de ligas (também chamadas de superligas) com várias designações – Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic, Hastelloy etc. A companhia Vale é proprietária de uma grande mina de níquel no Canadá, a empresa era conhecida como INCO, daí vários nomes das ligas começarem por inco. Apresenta propriedades magnéticas, como o ferro, e uma das ligas magnéticas conhecida é a AlNiCo (SANTOS, 2015; CALLISTER e RETHWISCH, 2016).

Ligas de baixo ponto de fusão

Estas ligas são definidas como os materiais com temperatura de fusão abaixo de 600 ºC. Não são sensíveis ao trabalho a frio, não apresentando, por isso, encruamento significativo por deformação plástica. Apresentam fluência à temperatura ambiente, não sendo por isso usados em aplicações estruturais. São particularmente indicados para a obtenção de peças fundidas devido à sua elevada fluidez e ao seu baixo ponto de fusão. São incluídos neste grupo o zinco, o estanho e o chumbo.

Zinco e suas ligas

O zinco é empregado majoritariamente como elemento protetor dos aços, na forma de revestimento, gerando os chamados aços galvanizados, pois apresenta um óxido protetor em temperatura ambiente. O principal método de deposição de zinco é o a fogo, ou imersão a quente. Também utilizados nas ligas ditas Zamac, muito empregado com isso pelo método de fundição por injeção, pois apresenta muito boa fluidez e baixo ponto de fusão. Uma outra boa aplicação é na fabricação das ligas de latão, junto com o cobre. Também empregado em outras ligas como de alumínio, magnésio, titânio entre outras.

Ligas refratárias

As ligas refratárias são definidas como os materiais com temperatura de fusão acima de 1800 ºC, tipo tungstênio - W; molibdênio - Mo; tântalo - Ta; nióbio - Nb; zircônio, cromo e vanádio (são usados como refratários); háfnio e rênio (muito raros). Todos possuem elevadas densidades, exibem fraca resistência à corrosão a temperaturas elevadas e têm fraca ductilidade à temperatura ambiente (SANTOS, 2015; CALLISTER e RETHWISCH, 2016).