Prof. Roberto Monteiro de Barros Filho. jan. 2014

Transcrição

1 METAIS E LIGAS METÁLICAS jan. 2014

2 Classificação 2

3 Aplicação Os metais e as ligas metálicas são solicitados, para determinadas aplicações, pelas propriedades que apresentam. 3

4 Apresentação Minério: corpo natural sólido e cristalino formado em resultado da interação de processos físico-químicos em ambientes geológicos. Pode ser descrito por uma fórmula química. A maioria dos metais apresentam-se na forma de compostos (ex: minério de ferro - Fe 2 O 3 ), mas podem estar no estado livre com o Au e Ag. Associação de metais, compostos metálicos e ganga. Gangas: impurezas presentes nas jazidas minerais que geralmente estão associadas com os metais e seus compostos. 4

5 Apresentação Jazida: massa de substâncias minerais ou fósseis, existentes na superfície ou no interior da terra, que venham a ser ou sejam valiosas para mineração. Mina: é a jazida na extensão concedida pelo governo. (Materiais de Construção - F.A. Falcão Bauer, 1994) Mineração: processo de obtenção de substâncias minerais. 5

6 Mineração 1. Colheita 1.1. céu aberto 1.2. Subterrânea 6

7 2. Concentração 2.1. Processos mecânicos Mineração Trituração ou Fragmentação Classificação (separação por concentração) Levigação (separação em água por densidade) Flotação (separação em água, óleo e ar por densidade) Separação Magnética Lavagem simples Outros Processos químicos Ustulação (aquecimento sob forte jato de ar quente) Calcinação (sob fogo direto) 7

8 Metalurgia Processo de extração do metal puro a partir do minério por vários processos: 1. Redução (mais comum por carbono ou óxido de carbono) 2. Precipitação química (reação química) 3. Eletrólise (somente para metais possam ser dissolvidos id em água) 8

9 A maioria destes materiais apresentam elevados valores de: Dureza Condutividade elétrica Condutividade térmica Temperatura de fusão Brilho Resistência mecânica 9

10 Processos de Fabricação 10

11 Operações de conformação Forjamento Conjunto de processos realizados a quente para conformar os metais por esforços mecânicos por prensagem ou martelamento. 11

12 Operações de conformação Laminação Conjunto de processos realizados a frio ou a quente para conformar os metais forçando-os através de cilindros laminadores para obtenção de chapas. 12

13 Operações de conformação Extrusão Conjunto de processos realizados a frio ou a quente para conformar os metais forçando-os por meio de prensas a passar através de orifícios (matrizes). 13

14 Operações de conformação Estiramento ou Trefilamento Conjunto de processos realizados a frio para conformar os metais por meio de forças de tração normalmente e usados na fabricação de fios. 14

15 Operações de conformação Estampagem Conjunto de processos realizados a frio para conformar os metais por meio de prensas com moldes (matrizes). 15

16 Operações de conformação Estampagem Magnética O trabalho da equipe do Dr. Glenn Daehn, da Universidade id d de Colúmbia (Estados Unidos) está utilizando magnetismo para conformar chapas de metal em seu aspecto final. Além de ser mais barato e evitar a geração de sucata. O processo utiliza o campo magnético para expandir certas porções do metal durante o processo de estamparia. Dahen chama o processo de estamparia por batidas ("bump forming"), porque o campo magnético bate contra o metal em pulsos muito curtos - tipicamente de 5 a 20 vezes em menos do que um segundo - enquanto o metal move-se, conformando-se ao molde. 16

17 Operações de conformação Fundição Conjunto de processos para conformar os metais por meio da fusão. 17

18 Alguns Metais Alumínio Cobre Chumbo Titânio Antimônio i Nióbio Tungstênio Molibdênio Tântalo 18

19 Alumínio Alumínio (Al) Um dos elementos mais abundantes na terra, porém na maioria das vezes não é economicamente viável como nas argilas (alumínio silicatos). O minério comumente extraído é a Bauxita na forma de óxido O 2 Al 2 (HO) 2 ou Al 2 (HO) 3. O processo metalúrgico para obtenção do metal puro é a Eletrólise. Muito dúctil, leve e maleável, porém constitui ligas de alta resistência mecânica. Ponto de fusão 660,3 o C 19

20 Cobre (Cu) Cobre O cobre tem sido cada vez mais utilizado em coberturas e fachadas no mundo todo devido a sua beleza, durabilidade e sua imensa gama de possibilidades arquitetônicas. O Chile é o maior produtor de cobre no mundo, país onde a utilização deste material é mais desenvolvida. Os minério comumente extraídos são a Calcita Cu 2 S, Cuprita CuO 2, Calcopirita Cu 2 S.Fe 2 S 3, Malaquita e Azurita. Ponto de fusão 1085 o C Zinabre ou azinhavre: camada verde de bicarbonato de cobre que se forma na superfície da peças decobre. Catedral Metropolitana de Porto Alegre 4t de cobre na cúpula 20

21 Chumbo Chumbo (Pb) O metal é tóxico, pesado, macio, maleável e comparativamente a outros metais é mal condutor de eletricidade e muito resistente à corrosão. O minério extraído é a Galeria, PbS. Usado no revestimento t de cabos elétricos, fusíveis, baterias de ácido, proteção contra Raio-X e outros. Ponto de fusão 327,4 o C. 21

22 Titânio Titânio (Ti) O titânio foi descoberto em 1791 por William Gregor quando investigava a areia magnética (menachanite) existente em Menachan na Cornualha. Denominou-o "menachin". Três anos mais tarde, M. H. Klaproth descobriu o que supunha ser uma nova terra no rutilo. Chamou-lhe "titânio" (do latim titans, os filhos da Terra). O metal foi pela primeira vez isolado numa formaimpuraporj. J. Berzelius em Hunter preparou titânio puro em 1910 aquecendo tetracloreto de titânio e sódio numa bomba de aço. Ponto de fusão 1668 o C Museu Guggenheim em Bilbao. Revestido em chapas de titânio e pedra Projeto Arq. Canadense Frank Gehry 22

23 Antimônio Antimônio (Sb) Elemento químico metálico de símbolo Sb O antimônio é empregado principalmente em ligas metálicas e alguns de seus compostos para dar resistência contra o fogo, em pinturas, cerâmicas, esmaltes, vulcanização da borracha e fogos de artifício. Ponto de fusão 630,8 o C 23

24 Nióbio Nióbio (Nb) Elemento químico metálico de símbolo Nb. O nióbio é usado na produção de super-ligas metálicas ferrosas e não ferrosa usadas na fabricação motores de foguetes, turbinas e equipamentos que necessitam de alta resistência à combustão, aços inoxidáveis de alto desempenho. O Brasil é responsável por 98% das jazidas mundiais i sendo ed as principais em São Gabriel da Cachoeira (AM), Raposa Serra do Sol (RR) e Araxá (MG) Turbinas de jatos e foguetes Tubulações de alto desempenho Reator termonuclear 24

25 Metais Refratários São metais que possuem temperatura de fusão extremamente elevadas. Nióbio: Tf 2468ºC; Molibdênio: Tf 2623 ºC Tântalo: Tf 3020 ºC; Tungstênio: Tf 3410 ºC; Como aplicações encontramos em: Matrizes de extrusão, filamento de lâmpadas incandescentes,componentes componentes de aeronaves. Mercúrio: Tf -38,83 ºC Ot Outros Mti Metais 25

26 Ligas Metálicas São materiais que possuem propriedades metálicas, compostos por dois ou mais elementos, sendo pelo menos o maior constituinte deles, um metal. Normalmente as ligas são criadas para modificar ou acrescentar propriedades diferentes das propriedades p dos metais que a formam. 26

27 Ligas Metálicas Classificação: 1. Mecânicas cristas dos componentes estão simplesmente misturados (ex: estanho e chumbo na solda de funileiro). 2. Soluções sólidas há interação dos cristais na solidificação (ex: aço). 3. Compostos químicos formação de composto químico diverso (ex: liga de cobre e zinco). 27

28 Tipos de Ligas Metálicas Ligas não-ferrosas: Não apresentam o elemento ferro como constituinte. Ex.: Latão, bronze, zamac, alpaca, ligas de alumínio Ligas Ferrosas: Apresentam o elemento ferro como constituinte principal. Ex.: Aço, ferro fundido, aço inox e aço corten 28

29 Ligas Não-ferrosas Latão: ligas Cobre-Zinco Mi Muito utilizadas desded a antiguidade. Alta resistência à corrosão em atmosfera ambiente e água do mar. Produtos são, em geral, obtidos por forjamento ou fundição. 29

30 Ligas Não-ferrosas Bronze: liga Cobre-Estanho Et Série de ligas metálicas que tem como base o cobre eliga principal o estanho e proporções variáveis de outros elementos como zinco, alumínio, antimônio, níquel, fósforo, chumbo entre outros com o objetivo de obter características superiores a do cobre. O estanho tem a característica de aumentar a resistência mecânica e a dureza do cobre sem alterar a sua ductibilidade. O Pensador Auguste Rodin 30

31 Ligas Não-ferrosas Zamac: liga de Zinco(Zn), Alumínio (Al), Magnésio (Mg) e Cobre (Cu) Possui boa resistência à corrosão, tração, choques e desgastes, e tem uma tonalidade cinza. Dentre todas as ligas de metais não ferrosos, o Zamac é uma das que possui maior utilização, devido às suas propriedades físicas, mecânicas e à fácil capacidade de revestimento por eletrodeposição (Banho de cromo, níquel, cobre, ouro). O seu baixo ponto de fusão (aproximadamente 400ºC) permite uma maior durabilidade do molde, permitindo uma maior produção de peças em série fundidas. Seu preço elevado nos últimos tempos tem feito com que o zamac fosse substituído em larga escala pelo alumínio, que, além de ter menor densidade (peças mais leves, menor uso de material), tem atualmente preço bem inferior. 31

32 Ligas Não-ferrosas Alpaca: liga de Cobre (Cu), Níquel (ni) e Zinco (Zn) Seu nome significa metal branco e também é conhecida como prata alemã, devido seu brilho e coloração parecido com as da prata. As ligas que contêm mais de 60% de cobre são monofásicas e são caracterizadas pela sua ductibilidade e pela facilidade com que podem ser trabalhadas a temperatura ambiente. A adição de níquel confere-lhe uma boa resistência nos meios corrosivos. Sua composição mais usual na indústria é de 65% de cobre, 18% de níquel e 17% de zinco. 32

33 Ligas Não-ferrosas Ligas de Alumínio Elementos de liga: Cu, Si, Mg, Mn, Zn, Li. Apresentam baixa densidade; Elevada condutividade elétrica, e térmica; Alta resistência à corrosão; Fácil conformação; Baixa temperatura de fusão; Abundância de matéria-prima. 33

34 Ligas Não-ferrosas Alucobond e Alubond Compósito, sanduíche com duas lâminas de alumínio e um núcleo de polietileno. Hospital Life Center - BH 34

35 Ligas Ferrosas Ferro Gusa Ferro Fundido Aço Carbono Aço Corten Aço SAC Aço-silício Aço Inoxidável 35

36 Ligas Ferrosas Produção Minério i de Ferro Principais formas de apresentação: CO 3 Fe - Siderita ou Siderose 30 a 42% de ferro Fe 3 O 4 - Magnetita ou Imã natural 45 a 70% de ferro Fe 3 O 2 - Hematita (itabirita ou jacutinga), oligisto ou oca vermelha 50 a 60% de ferro 2Fe 2 O 3. 3H 2 O - Limonita ou Hematita 20 a 60% de ferro FeS 2 - Pirita - ouro dos tolos minério de enxofre com o ferro com subproduto Ferro: ponto de fusão = 1535 o C 36

37 Ligas Ferrosas Produção Minério i de Ferro Geralmente a extração é a céu aberto devido às grandes concentrações deste minério. O minério é lavado para a retirada da argilaeterra. Levado ao Alto forno na granulometria de 12 a 25 mm, pedaços menores devem ser pelotizados ou sinterizados. 37

38 Ligas Ferrosas Produção Alto Forno Ferro Gusa No Alto-Forno processa-se a redução do minério de ferro em ferro. Marcha de Operação Dessecação - 300ºC e 350ºC liberação do vapor de água contido na carga. Redução - 350ºC e 750ºC óxido de ferro perde o oxigênio Fe 2 O 3 + CO 2FeO +CO 2 Carburação - 750ºC e 1150ºC ferro se combina com o carbono formando a gusa. FeO+ CO Fe +CO 2 Fusão ºC e 1800ºC a gusa passa para o estado líquido Liquefação ºC a gusa se separa da escória. 38

39 Ligas Ferrosas Ferro Gusa O ferro saído diretamente do alto forno é o Gusa. Este ferro possui altos teores de carbono e de impureza de Fósforo-P e Enxofre-S. 39

40 Ligas ferrosas Ferro fundido É uma liga de ferro-carbono com teor de carbono entre 1,7 e 6,7%. Os produtos são obtidos, mais comumente, pelo processo de fundição em molde de areia ou matriz. 40

41 Ligas Ferrosas Aço Carbono São ligas de ferro-carbono, obtidos fundindo-se o gusa normalmente em Fornos de Indução. Podem apresentar concentrações apreciáveis i de outros elementos de liga como níquel, molibdênio, cromo e outros. Apresentam teor de carbono abaixo de 1% edeacordocomaconcentraçãode carbono podem ser classificados como de Alto, Médio e Baixo-carbono. Os mais usado com 0,2% de carbono. Abaixo de 0,1% é chamado Aço Doce. 41

42 Ligas ferrosas Aço Corten, Aço Ptiá Patinável ou Aço Aclimável É uma liga de ferro-carbono o pequenas concentrações de cobre. A oxidação desta liga cria uma pátina (fina película) na sua superfície que o protege da corrosão. Museu Djalma Guimarães - BH Teatro de Granollers, Espanha 42

43 Ligas ferrosas Aço SAC - Steel Anti-Corrosion i É uma liga de ferro-carbono com concentrações de outros metais como, níquel, silício e molibdênio, cromo titânio e nióbio. A oxidação desta liga cria uma pátina (fina película) na sua superfície, mais resistente que os demais aços patináveis, i dispensando a proteção da superfície. 43

44 Ligas ferrosas Aço-silício i O silício na liga, orna o aço macio, com grande elasticidade e quase sem perda de resistência. Usadonafabricação fbi demolas. 44

45 Tipos e Aplicações Chapas lisa preta Chapas corrugadas Perfis Trilhos Barras redondas para concreto armado Cordoalhas de protensão Arames e telas Pregos, parafusos e rebites Tubos 45

46 Processos de Tratamento É comum se processar tratamentos para alterar as propriedades de ligas. Os tratamentos mais comuns são: Endurecimento por deformação Endurecimento por precipitação Endurecimento por tratamento térmico Endurecimento por tratamento termoquímico 46

47 Tratamento por Deformação Encruamento Df Deformação dos cristais iti por esforços mecânicos. âi Aumento da dureza e resistência à tração. Diminuição da resistência à corrosão, dutilidade e o alongamento. Usado nos aço torcidos para concreto armado 47

48 Tratamento Térmico Normalização Aquecimento do aço e resfriamento lento ao ar livre. Elimina as tensões internas surgidas na conformação do aço. Recozimento aquecimento do aço e manutenção desta temperatura por alguns tempo e resfriamento fi lento. Elimina as tensões internas surgidas na fundição do aço e elevação dos índices tecnológicos. 48

49 Tratamento Térmico Têmpera aquecimento do aço e manutenção desta temperatura t por alguns tempo e resfriamento brusco. Aumento da dureza, limite de elasticidade, resistência à tração, e diminui o alongamento e a tenacidade. Revenido Processo parecido com o recozimento feito em aços temperados. Elimina defeitos aparecidos durante a têmpera do aço. 49

50 Falhas Os materiais metálicos, quando submetidos à esforços excessivos, podem apresentar falhas dos seguintes tipos: Fratura Fadiga Fluência 50

51 Falhas Fratura Dúctil Modalidade de fratura que é acompanhada de uma extensa deformação plástica. 51

52 Falhas Fratura Frágil Fratura que ocorre pela rápida propagação de uma trinca e sem deformação macroscópica ói apreciável. 52

53 Importante! O tipo de fratura (dúctil ou frágil) não é uma propriedade do material, mas sim, um comportamento devido às condições impostas como: carregamento, temperatura e taxa de deformação. 53

54 Falhas Fadiga Falha em níveis relativamente baixos de tensão, de estruturas sujeitas ji a tensões flutuantes e cíclicas. 54

55 Falhas Fluência Deformação permanente dependente do tempo, que ocorre sob condições de tensão. Para a maioria dos materiais só é considerável em temperaturas elevadas. 55

56 Oxidação X Corrosão Oxidação éaperda de elétrons de um elemento pela sua combinação com o oxigênio. Corrosão metálica é a transformação não intencional de um metal ou liga, pela sua interação química ou X eletroquímica, num determinado meio de exposição. O processo resulta na formação de produtos dt de corrosão e na liberação de energia. Et Esta transformação resulta em perda de massa do material. 56

57 Corrosão Algumas substâncias são oxidantes presentes no meio ambiente: O, H, H 2 O, H 2S TIPOS DE CORROSÃO Corrosão química: elétrons perdidos na corrosão se combinam no mesmo lugar onde foram perdidos. Corrosão eletroquímica: os elétrons liberados são recuperados em outro lugar formando-se uma corrente galvânica. 57

58 Processos de Proteção Pesquisas demonstram que a corrosão é responsável pelo maior índice de destruição do ferro e do aço, ç, consumindo cerca de 20% da produção mundial Estes processos têm a função de proporcionar aos materiais maior durabilidade, devido à proteção contra a ação de agentes corrosivos presentes nos ambientes em que tais materiais estejam sendo aplicados. Tipos mais comuns: Ligas Metálicas Pintura Deposição eletrostática Anodização Flandres Outros. 58

59 Processos de Proteção Ligas Metálicas Uso de ligas metálicas determinadas para resistência à corrosão em meios específicos. Aço Corten Bronze Latão Aço Inoxidável 59

60 Processos de Proteção Pintura Superficial O processo de cobrimento de superfícies metálicas por polímeros. Uso de tintas apropriadas aos materiais e meios específicos. Este é uns dos processos mais baratos porém requer manutenções periódicas. 60

61 Processos de Proteção Cromagem / Niquelagem Processo de cobrimento de superfícies metálicas por eletrodeposição de cromo ou níquel. (Torneira de latão cromado) 61

62 Processos de Proteção Gl Galvalumel Processo de cobrimento bi a quente de superfícies de aço nu por imersão a quente em zinco, alumínio e silício. Propriedades alta resistência à corrosão atmosférica beleza estética elevada refletividade ao calor, o que gera maior conforto térmico resistência à oxidação em temperaturas elevadas Chapa galvanizada Calhas e Telhas galvanizada 62

63 Processos de Proteção Gl Galvanização Processo de cobrimento bi a quente de superfícies de aço nu por imersão em zinco fundido ou por deposição eletrolítica. Chapa galvanizada Telha galvanizada 63

64 Processos de Proteção Flandres Processo de cobrimento de superfícies metálicas por imersão em estanho ou processo eletrolítico. Nos aços é vulgarmente chamada de lt lata. Folhas de flandres 64

65 Anodização Processos de Proteção É um processo eletroquímico de oxidação forçada e controlada aplicada somente ao alumínio e suas ligas específicas. A película anódica formada apresenta dureza de 7 a 8 Mohs. É porosa, anidra e transparente, chama-se OxidodeAlumínioouAlumina (Al2O3). Foi descoberta em laboratório, por H. Buff e C. Pollack em 1857, a tendência do Alumínio em recobrir-se bi de uma película l (oxido) baseada na transformação superficial do próprio alumínio. Baseado nesta descoberta, inúmeras pesquisas foram feitas, somente em 1911 o francês Francais Saint Martin desenvolveu os princípios básicos para oxidação eletrolítica em meio sulfúrico Perfis Anodizados Peças Anodizadas 65