Ligas no-ferrosas

Introduo So ligas onde o ferro no o elemento majoritrio! Caractersticas gerais em relao aos aos e ferros fundidos: Possuem melhor resistncia corroso Possuem pior resistncia mecnica Menor resistncia a fluncia a alta temperatura Melhor comportamento a baixas temperaturas (na sua maioria so C.F.C., no tem a transio tenazfrgil)

Ligas de Cobre

Ligas de CobreIntroduo: O cobre (Imagem 1) o elemento qumico de numero atmico 29 e simbolo Cu. Sua massa atmica de 63,6u e a matria encontra-se no estado slido temperatura ambiente (Tfusao = 1083 C). muito utilizado na indstria para a produo de materiais condutores de eletricidade, e de ligas como lato Imagem 1. Cobre no estado slido e bronze. Produtos como: arames, chapas, tubos, fiomquinas; so extensamente utilizados. As ligas formadas a partir do cobre esto entre os materiais mais utilizados no mundo, perdendo apenas para os aos e alumnios e suas ligas. Existem inmeras ligas que podem se formar a partir do cobre. Essas ligas so criadas atravs da adio de elementos, com o intuito de melhorar propriedades mecnicas e qumicas do material, tais como: resistncia, ductilidade, estabilidade trmica, condutividade eltrica e trmica, resistncia corroso, entre outros. A seguir, listaremos e classificaremos as mais importantes ligas de cobres utilizadas comercial e industrialmente.

Principais aplicaes das ligas de Cobre na engenharia: Fabricao de fios condutores de eletricidade; Tubulaes industriais; Fabricao de motores, geradores e bobinas eltricas; Mancais e buchas; Engrenagens; Parafusos, vlvulas e flanges; Bombas de leo; Entre outros... Imagem 2. Fios condutores deeletricidade

Imagem 3. Tubos de cobre

Imagem 4. Sistemas de tubulao industriais

Imagem 5. Engrenagens

As ligas de cobre podem ser divididas nos seguintes grandes grupos listados abaixo: Lates Bronzes Ligas de cobre-nquel (Cuproniquel) Ligas de cobre-nquel-zinco (Alpacas) Ligas de cobre-alumnio Ligas de cobre-ouro Cobre comercialmente puro

Na figura (Imagem 6) ao lado, encontram-se as relaes das ligas de cobre de forma simplificada.

Imagem 6. Esquema simplificado das relaes das ligas de cobre

Lates Podem conter at 45% de zinco. Os elementos Al, Sn, Si, Fe, Mn, Ni, As, P e Pb so usuais neste tipo de liga. O alumnio aumenta a consistncia e a resistncia corroso (utilizado em canalizaes de gua salgada na construo naval); Adies de estanho e silcio garantem melhores propriedades de deformao (Admiral Bronze, utilizado em tubos de condensadores); Arsnico e fsforo ajudam em relao resistncia corroso, sendo que o fsforo, adicionalmente, aumenta tambm a fluidez do metal. Ferro e mangans so adicionados para refinar o gro. O nquel possui como ponto positivo, a melhora da resistncia corroso e uma melhora na resistncia mecnica a altas temperaturas. Ligas de lato podem conter at 3,0% de chumbo, pois este elemento favorece a operao de corte do metal (usado em peas sujeitas a atrito);

Influncia do Zn: Aumenta a resistncia mecnica; Aumenta a ductilidade; Abaixa o ponto de fuso; Abaixa o custo;

Fases presentes: Fase (at 35% Zn): Dctil e def. a frio at 30% Zn; 5%Zn Lato para dourar; 15%Zn Lato vermelho ; 34%Zn Lato amarelo ;

Fase + : Menos dctil; 40%Zn Metal Muntz ; 40%Zn,1%Sn Naval brass;

Imagem 7. Diagrama de fase binrio Cu-Zn

Lato C210(95% Cu 5% Zn) No suscetvel dezincificao; Muito utilizada na fabricao de moedas, medalhas, emblemas, jias e placas; Utilizada amplamente como base para aplicao de ouro e esmaltes vtreos; Tambm conhecido como lato para dourar;

Imagem 8

Imagem 9

Imagem 10

Imagem 11

Obs: Esmalte vtreo um protetor inorgnico de longa durao base de Boro, Alumnio e Silcios fundidos em alta temperatura e resistentes presso. Muito utilizados no revestimento de matrias utilizadas em construes, mquinas ou indstria, a fim de evitar a corroso de metais por quaisquer razes.

Lato C220(90% Cu 10% Zn) Caractersticas semelhantes ao C210; Usado em arquitetura (ferragens, condutos e peas ornamentais); Fabricao de objetos decorativos; utilizado na fabricao de munio, apesar de ser realizado em pequena escala;

Imagem 12. O uso do lato C220 na decorao de interiores

Imagem 13. O uso do lato C220 na fabricao de munio

Imagem 14. O uso do lato C220 na fabricao de munio

Lato C230(85% Cu 15% Zn) Fabricao de zper para vestimentas, ilhoses e colchetes; Utilizado na fabricao de bijuterias, mostradores para relgios e instrumentos; Tubulaoes para agua e acessrios. Utilizado em refinarias de pretrleo quando a agua circulante doce ou de baixa salinidade. Apresenta pouca resistncia ao ataque de enxofre;

Imagem 15. Zper: Principal produto derivado do lato C230

Tabela 1. Propriedades fsicas do lato C230

Lato C260(70% Cu 30% Zn) Utilizado na fabricao de cartuchos para munio; Fabricao de permutadores de calor para agua doce e limpa, evaporadores e aquecedores de caldo em usinas de aucar; Instrumentos musicais de sopro; Radiadores e componentes de carburadores para automveis; Extintores de incndio; Rebites, pinos e parafusos; Tambm conhecido como lato para cartucho;

Tabela 2. Propriedades fsicas do lato C260

Lato C272(63% ~ 64% Cu 36% ~ 37% Zn) Fabricao de tampas, caixas e placas para instrumentos; Rodas, pinos, rebites, parafusos e molas; Reservatrios para tinta de caneta esferogrficas; Reservatrios para radiador de automvel;

Imagem 16. Rebites de Lato C272

Tabela 3. Propriedades Fsicas do Lato C272

Lato C353(62% Cu 36% Zn 2% Pb) Muito utilizado na fabricao de pistes para torneiras e vlvulas de cmeras de pneus; Empregado na fabricao de chaves automotivas, assim como outro tipo de chaves; Fabricao de engrenagens, rodas, porcas, placas para pulsos de disparo, gaiola para rolamentos, chapas gravadas, pinhes e hastes de vlvulas;

Imagem 17. Aplicao do lato c353 na haste das vlvulas

Tabela 4. Propriedades Fsicas do Lato C353

Propriedades mecnicas de alguns tipos de latoLiga (ASTM) C210 C220 C230 C240 C260 C268, C270 C272 C280 C340 C353 C360 C370 C442 C464 Composio Qumica 95Cu 5Zn 90Cu 10 Zn 85Cu 15Zn 80Cu 20Zn 70Cu30Zn 66Cu 34 Zn 65Cu35Zn 64Cu 36Zn 60Cu 40Zn 65Cu34Zn1Pb 62Cu36Zn2Pb 61Cu36Zn3Pb 61Cu38Zn1Pb 71Cu28Zn1Sn 61Cu38Zn1Sn Limite de resistncia trao (MPa) 270-550 270-570 310-600 310-640 330-850 340-860 340-860 380-600 330-550 340-700 360-520 380-580 340-400 395 Limite de escoamento (MPa) 100-380 90-420 100-420 120-480 120-540 130-550 130-550 160-450 120-460 150-460 150-450 180-520 130-180 160-390 Alongamento Dureza Brinell (%) (HB) 45-3 50-4 50-4 52-3 62-3 60-3 56-5 40-4 45-8 45-2 40-12 40-8 65-50 40-20 65-120 55-125 60-135 65-155 65-160 65-165 65-165 85-145 65-135 70-125 75-135 80-150 65-85 90-145 Limite de resistncia fadiga (MPa) 70-160 105-170 100-185 75-200 85-155 95-210 110-130 100-195 140 160-185 150-230

Tabela 5. Propriedades mecnicas de lates

Bronzes Geralmente consistem em uma liga de Cu Sn; Encontram-se no grupo de materiais mais utilizados na indstria; O percentual de estanho varia de 2% - 25%; As ligas com 10% ~ 11% de Sn so ideais para mancais; O estanho pode ser substituido por Al (Bronze Alumnio), Be (Bronze Berlio) e Si (Bronze Silcio);

Imagem 18. Uso do bronze

Imagem 19. O uso do bronze em ornamentos, armas e armaduras nos exercitos antigos.

Influncia do Sn: Aumenta o limite elstico; Aumenta a dureza; Aumenta a ductilidade, para teores de Sn < 10%; Liga monofsica para Sn < 1,3%; At 13%Sn grande ductilidade; Aplicao em decorao, torneiras, pequenos mancais; Bronzes fosforosos para fundio (boa fluidez);

13% < Sn < 25% grande dureza e fraca ductilidade; Aplicao em casquilhos, mancais, juntas, elementos com forte atrito, instrum. musicais (>17%Sn);

Elevado preo do Sn levou sua substituio por Al, Be e Si;

Imagem 20. Diagrama de fase binrio Cu-Sn

Bronze C505(98% Cu 2% Sn) Liga monofsica (vide diagrama de fases na imagem 20); Primeira liga da srie dos bronzes na classificao CDAASTM; Condutividade eltrica relativamente alta; Boa trabalhabilidade a frio e resistncia corroso; empregado em contatos, componentes de aparelhos de telecomunicao e molas condutoras; Em construo mecnica empregado na fabricao de parafusos com cabea recalcada a frio, tubos flexveis, rebites e varetas de soldagem;

Bronze C511(96% Cu 4% Sn) Liga monofsica (vide diagrama de fases na imagem 20) Boa trabalhabilidade a frio; Resistncia mecnica elevada; Resistente corroso; Utilizado na arquitetura; Na construo eltrica, utilizado como molas e componentes de interruptores, chaves, contatos e tomadas; Na construo mecnica, como molas, diafragmas, parafusos com cabea recalcada a frio, rebites, porcas, entre outros;

Imagem 21. Aplicao do Bronze C511 em um rebite

Bronze C510(95% Cu 5% Sn) A resistncia mecnica deste superior do C511; Utilizado em tubos para guas cidas de minerao; Uso intenso nas indstrias txteis, qumicas e de papel; So utilizados na fabricao de molas, diafragmas, parafusos, porcas, rebites, varetas e eletrodos de soldagem, entre outros;

Imagem 22. Aplicao do bronze C510 em um conjunto com parafuso

Bronze C519(94% Cu 6% Sn) Maior resistncia fadiga e ao desgaste; Trabalhabilidade e resistncia corroso so bastante elevadas; Possui maior resistncia fadiga e ao desgaste do que os bronzes mencionados anteriormente; Bastante utilizado na fabricao de engrenagens e peas sujeitas a trabalhos constantes;

Imagem 23. Aplicao do Bronze C519 na industria mecnica. Conjunto de engrenagens.

Bronze C521(92% Cu 8% Sn) Pequenas quantidades de fase ; Elevadas resistncias fadiga e ao desgaste; Anti-frico; Tem uma grande resistncia corroso; Geralmente na forma de chapas, barras, fios e tubos. Alm das aplicaes da liga C510, emprega-se em discos antifrico (Imagem 24), devido a suas caractersticas antifrico;

Imagem 24. Uso do bronze C521 como disco antifrico

Bronze C524(92% Cu 8% Sn) Liga bifsica ( + ); Resistncia fadiga e ao desgaste elevados; Anti-frico; o bronze trabalhado com maior resistncia mecnica e maior dureza; produzido principalmente sob a forma de chapas e fios; muito aplicado na construo de instalaes da indstria de papel e na fabricao de molas para servios pesados; Apresenta as melhores propriedades mecnicas, sendo por isso a mais empregada;

Imagem 25. Aplicao do bronze C524 como molas para servios pesados

Bronzes Fundidos: Cu 89 Sn 11 fabricao de engrenagens. Cu 88 Sn 10 Zn 2 conexes de tubos grandes, engrenagens, parafusos, vlvulas e flanges. Cu 88 Sn 6 Zn 4,5 Pb1,5 vlvulas para temperaturas de at 290 C, bombas de leo e engrenagens. Cu 87 Sn 11 Pb1 Ni1 buchas e engrenagens diversas. Cu 85 Sn 5 Pb9 Zn 1 mancais e buchas pequenas. Cu 80 Sn 10 Pb10 mancais para altas velocidades e grandes presses e mancais para laminadores. Cu 78 Sn 7 Pb15 mancais para presses mdias e mancais para automveis. Cu 70 Sn 5 Pb25 mancais para altas velocidades e pequenas presses. Cu 85 Sn 5 Pb5 Zn 5 liga especial, tem alta fundibilidade, sendo utilizada na fabricao de peas de resistncia mdia, boa estanqueidadee usinabilidade. Usadas em vlvulas para pequenas presses e engrenagens de pequeno tamanho.

Bronze-Silcio Propriedades semelhantes ao Cu-Sn; Particularmente adequado a soldadura e a peas fundidas; At 4%Si alta resistncia e tenacidade; Utilizado na fabricao de parafusos e porcas; Tanques e tubulaes; Eletrodos de soldagem; Rebites e buchas; Construo naval; Construo aeronutica;Imagem 26. Diagrama de fase binrio Cu-Si

Bronze-Berlio a nica liga de Cu endurecvel por precipitao; Liga com maior resistncia; Excelente resistncia ao desgaste e corroso; Utilizada em instrumentos cirrgicos e dentrios; Geralmente produzido sobre a forma de arames, tubos e barras; Fabricao de molas de instrumentos e eletrodos de soldadura por pontos; Diafragmas e cabos flexveis; Componentes de chaves eltricas, de rels e de bombas;

Imagem 27. Diagrama de fase binrio Cu-Be

Bronze-Alumnio Propriedades semelhantes ao Cu-Sn; Empregue em engrenagens, orgos de mquinas, arquitectura e decorao; Bastante utilizado na indstria qumica; Fabricao de tubos de condensadores, evaporadores e trocadores de calor; Componentes de equipamentos usados na indstria de papel; Caixas dgua e reservatrios; Autoclaves, instalaes criognicas, recipientes; Componentes de torres de resfriamento, em instalaes para tratamento de esgoto urbano; Fabricao de moedas e medalhas, eletrodos de soldagem, em componentes usados na indstria naval;

Imagem 28. Diagrama de fase binrio Cu-Al

Imagem 29. Cu-4Sn Fundido

Imagem 30. Cu-10Al Fundido

Imagem 31. Lato 70-30 Fundido

Imagem 32. Lato 70-30 laminado a frio e recozido

Cupronqueis (Cu Ni) O nquel solvel no cobre em qualquer proporo, mas geralmente varia de 10% a 30%; Forma ligas de melhor resistncia corroso; No so muito duras, mas bastante dcteis; Muito Utilizadas em trocadores de calor, tubagens, condensadores, entre outros; Tambm utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias e armaes de lentes;

Imagem 33. Moeda Portuguesa de 1981 feita de Cupronquel

Imagem 34. Moeda Grega de 1984 feita de Cupronquel

Imagem 35. A moeda de 50 centavos Brasileira de 1998, feita de Cupronquel. Atualmente esta mesma moeda feita de ao inoxidvel.

Alpacas (Cu Ni Zn) So normalmente constituidas de cobre entre 45% a 70%, de 10% a 18% de nquel e o restante de zinco; So facilmente confundidas com a prata, devido sua colorao e aspecto; So muito utilizadas em chaves e relojoaria; Tambm so bastante utilizadas em equipamentos de telecomunicaes, componentes de aparelhos ticos e fotogrficos; Fabricao de objetos decorativos;

Imagem 36. Pente de cabelo feito de Alpaca ou German Silver

Imagem 37. Objeto domstico decorativo feito de Alpaca

Imagem 38. Money Clip feitos de Alpaca

Cobre e ouro O conhecido como ouro 18 quilates (18k) consiste em uma mistura de 75% de ouro e 25% de cobre; O ouro puro demasiadamente mole, por isso, geralmente endurecido pela adio de cobre (que pode ser substitudo por prata);

Imagem 39. Barras de ouro. O ouro 18k tambem conhecido como ouro 750 (75% em ouro)

Obs: A quantidade de ouro na liga indicada em quilates: o ouro puro o ouro 24 quilates, portanto, quanto mais baixo for o nmero de quilates, menor ser a quantidade de ouro).

Cobre comercialmente puroO cobre o padro de condutibilidade. Quanto mais puro o cobre, melhores so as suas caractersticas condutoras de eletricidade. Cabos eltricos de cobre requerem menor isolao e eletrodutos de menor dimetro quando comparados com cabos de alumnio. O alumnio possui menor condutibilidade eltrica, necessitando, portanto, de cabos de maior dimetro quando comparados com o cobre para conduzir a mesma corrente. Estes so os motivo pelos quais num dado eletroduto possvel instalar uma maior quantidade de fios ou cabos de cobre comparados com o alumnio. Alm disso, o cobre tambm proporciona uma condutividade trmica superior (60% superior ao alumnio), o que leva a uma economia de energia e facilita a dissipao de calor.

Melhor condutividade eltrica encontrada; A presena de impurezas, especialmente fsforo, ferro e cobalto deterioram a condutividade devido ao impedimento do movimento dos eltrons causado por estes elementos. A presena de elementos como prata, arsnio, cromo, zircnio, cdmio, ferro ou fsforo, aumentam as propriedades mecnicas do material, especialmente resistncia trao. O cobre pode nesse caso ser tambm utilizado para aplicaes especiais tais como molas, contatos, eletrodos de solda, materiais condutores, projetos eltricos, entre outros.

Imagem 40. Fios de cobre comercialmente puro

Ligas de Magnsio

Ligas de MagnsioElemento qumico de nmero atmico 12 e smbolo Mg na tabela peridica. o 7 elemento mais abundante na crosta terrestre. empregado principalmente em ligas com alumnio. Alm disso, bastante usado na pirotecnia e bombas incendirias, alm de flashes fotogrficos.

Imagem 42. Componente de turbina em Liga de Magnsio

Imagem 41. Barras de Magnsio

Caractersticas gerais: Densidade mais baixa dentre os metais estruturais (1,7 g/cm^3); Estrutura Hexagonal Compacta (Imagem 43); Relativamente mole; Imagem 43. Estrutura cristalina Baixo mdulo de elasticidade Hexagonal Compacta (45Gpa-6,5x10^6psi); Dificilmente deformadas em temperatura ambiente; Pequena intensidade de deformao a frio pode ser imposta sem recozimento; Fabricao: por fundio ou deformao a quente (temperaturas entre 200 C e 350 C); Temperatura de fuso: 651 C; Classificadas como fundidas ou forjadas; Algumas so termicamente tratveis;

Comparao entre Magnsio e alguns outros materiais

Tabela 6. Comparao de propriedades mecnicas entre o Magnsio e Alumnio e Ferro.

Caractersiticas mecnicas:

Quanto corroso, as ligas de Magnsio apresentam resistncia razoavelmente boa em uma atmosfera norma. Entretanto, so suscetveis corroso em ambientes marinhos;Principais elementos de liga: Alumnio, Zinco, Mangans; Condutividade termica elevada por unidade de volume;Imagem 44. Chapas finas de Magnsio

Capacidade de amortecimento elevada (boa resistencia ao choque); Estabilidade dimensional;Imagem 45. Barra de Magnsio contrastada com moeda Norte-Americana

Abaixo segue uma tabela, retirada do livro-texto Materials Science and Engineering: An Introduction 7 edio, que trata de propriedades mecnicas de ligas de Magnsio com base na norma ASTM

Tabela 7

Classificao das ligas de Magnsio:As ligas de magnsio so classificadas de acordo com norma da ASTM (American Society of Testing and Materials) seguindo uma designao dividida em quatro partes.1.

A primeira parte, composta de duas letras, indica os dois principais elementos de liga;

2.

A segunda parte, de dois nmeros, indica o percentual desses elementos;A terceira parte designa um nmero sequencial por ordem de patente; A quarta parte, indica o tratamento trmico ou mecnico empregado;

3.

4.

J o sistema de numerao unificado (UNS) contem as designaes de M10001 at M19999 para as ligas de magnsio.

Exemplo: Liga AZ91A-T6 AZ: significa que o alumnio e o zinco so os dois principais elementos de liga;

91: indica os percentuais de alumnio (9%) e zinco (1%) presentes na liga;A: indica que esta liga foi a primeira a ser registrada na ASTM com estas quantidades de alumnio e zinco; T6: indica que a liga sofreu tratamento trmico de solubilizao e foi envelhecida artificialmente;

As principais ligas de Magnsio encontram-se listadas abaixo:

Ligas Magnsio Mangans (Mg Mn); Importantes nas apliaes eletroqumicas como (i.e. proteo catdica de aos);

Ligas Magnsio Zircnio (Mg Zc); Elevada resistncia mecnica, muito utilizado em peas forjadas, estampadas e perfiladas;O alumnio melhora a colabilidade, o zinco a ductilidade e o mangans a resistncia corroso (no mnimo 85% de Mg, adies de Aluminio (at 10%), Zinco (at 3%), e Mangans (at 0,6%);

Ligas Magnsio Alumnio (Mg Al);

Imagem 46. Fundio do magnsio para fabricao de peas

Aplicaes Aeronutica (componentes de motores, fuselagem, trens de aterragem); Automobilstica (caixas de engrenagens, rodas, colunas de direo; Indstria blica, na fabricao de msseis; Componentes eletrnicos;

Imagem 49. Utilizao do Magnsio na industria belica

Imagens 47 e 48: Componentes aeronuticos

Imagem 50. Utilizao do Mangansio em flashes fotogrficos (ultrapassado)

Imagem 51. Aplicao da liga leve de magnsio na fabricao de um corpo de mquina fotogrfica

Imagem 52. Fabricao de um aro de roda automotiva feito de liga de magnsio

Observao: importante observar que para algumas aplicaes, as ligas de magnsio subistituem os plsticos de engenharia de densidades comparveis. So para tais aplicaes: Mais rgidos; Mais reciclveis; Produo mais barata;

Ligas de Nquel

Ligas de nquelIntroduo: O nquel (Imagem 53) o elemento qumico de numero atmico 28 e simbolo Ni. Sua massa atmica de 58,7u e a matria encontra-se no estado slido temperatura ambiente (Tfusao = 1453 C). muito utilizado na indstria na fabricao de Alnicos, cadinhos de laboratrios qumicos, catalisador da hidrogenao de leos vegetais e tambm na fabricao de ligas.

Imagem 54. Nquel no estado slido em forma de corpos de prova Imagem 53. Nquel eletroltico no estado slido

Caractersticas gerais: Resistncia a temperatura; Resistncia corroso; Reduzida variao dimensional; Ligas com efeito de memria (Ni-Ti); Ligas com elevada resistncia eltrica (para aquecimento).

Principais Ligas: Nquel comercialmente puro; Ligas binrias; Ligas ternrias; Ligas complexas; Superligas.Imagem 55. Turbina de avio com utilizao de liga de Nquel

Principais aplicaes das ligas de Nquel: Turbinas de avies; Turbinas de vapor; Centrais nucleares; Instalaes qumicas e petroqumicas.

Imagem 56. Turbina de vapor sendo reparada

Imagem 57. Turbina de avio em liga de nquel

Nquel em geral Metal dctil e tenaz devido sua estrutura CFC; Temperatura de fuso de 1453C, densidade 8902 kg/m, mdulo de elasticidade 204 GPa; Pode ser encontrado sob diversas formas: barra, chapa, tubo, ou Imagem 58. Niquelita produtos de fundio; Usado principalmente como elemento de liga em aos, apenas 13% so usado em ligas baseadas em nquel; Ligas de nquel possuem a capacidade de suportar condies muito severas em termos de corroso, temperatura elevada, elevadas tenses de servio, ou uma combinao destes fatores.

Nquel comercialmente puro Os principais exemplos so o Nquel 200 e o Nquel 201 que contm cerca de 99,5% de Ni. Ambos so particularmente resistentes atmosferas custicas, de halognios em altas temperaturas; meios onde contenha sais; e meios oxidantes. O Duranquel 301, uma liga endurecida por precipitao, possui cerca de 94% de Ni e apresenta excelentes propriedades elsticas a aproximadamente 300C. Durante seu tratamento trmico, partculas de Ni3AlTi precipitam-se atravs da matriz. A precipitao aumenta a resistncia mecnica da liga. Em termos de resistncia corroso, apresenta as mesmas propriedades do Nquel 200 e do Nquel 201.

Ligas de nquelLigas binrias Das categorias que compem as ligas binrias, a mais comum a liga Ni-Cu, tambm conhecida como Monel. A liga Monel tambm apresenta pequenas quantidades de Al, Fe e Ti. As ligas Ni-Cu diferem do Nquel 200 e do Nquel 201 pelo fato de suas resistncia mecnica e dureza aumentarem devido ao endurecimento por envelhecimento, embora possuam aspectos comuns em termos de resistncia corroso, aos nqueis comercialmente puro, sua resistncia aos cidos sulfrico Imagem 59. Monel e fluordrico e salmoura melhor, como tambm devemos ressaltar sua resistncia ao trincamento atribudo corroso sob tenso em meios clorosos . Os equipamentos submetidos a gua salgada ou gua salobra, so as principais aplicaes. Outras ligas binrias comercialmente importantes so as de composio Ni-Mo. Destaca-se entre elas a liga Hastelloy B-2 que oferece uma excelente resistncia a cidos clordricos e tambm a qualquer meio redutor. Tambm possuem alta resistncia mecnica em atmosferas de gases inertes em temperaturas elevadas.

Ligas de nquelLigas tercirias Do quadro de ligas ternrias, destacam-se as composies Ni-Cr-Fe e Ni-Cr-Mo. Os principais componentes do sistema Ni-Cr-Fe so conhecidos comercialmente como Inconel 600, e Incoloy 800. O Inconel 600 tem boa resistncia tanto em meios oxidantes, quanto em meios redutores e podem ser trabalhados a altas temperaturas. O Incolloy 800 possui boa resistncia oxidao e carbonetao a temperaturas elevadas. As ligas Ni-Cr-Mo so altamente resistentes corroso alveolar. Elas retm grande resistncia mecnica e oxidao a elevadas temperaturas. Tm grande aplicao na indstria, principalmente em equipamentos submetidos a meios aquosos. Neste grupo, as principais ligas so o Hastelloy C-276, Hastelloy C-22 e o Inconel 625.Imagem 61. Hastelloy C-22

Imagem 60. Incolloy 800

Ligas de nquelLigas complexas

O sistema Ni-Cr-Fe-Mo-Cu a composio bsica desta categoria. Elas oferecem boa resistncia corroso alveolar ("pitting"), corroso intergranular, corroso sob tenso em meios clorosos e corroso uniforme em uma larga escala de meios oxidantes e redutores. Estas ligas so geralmente usadas em aplicaes envolvendo cidos sulfrico ou fosfrico. Os principais componentes so: Hastelloy G-3, os Inconel 617, 625, e 718; e o Incoloy 825.

Imagem 62. Incolloy 825

Superligas

Superligas

DefinioVulgarmente designadas por "ligas de alto desempenho", as superligas so ligas metlicas que apresentam as caractersticas de excelente resistncia mecnica, superfcie superior e de estabilidade de fase, resistncia fluncia a altas temperaturas e oxidao e alta resistncia corroso. Como resultado, so comumente usadas em aplicaes de alta temperatura Elas tambm so caracterizadas como tendo uma face austentica, estrutura cristalina cbica centrada, bem como tipicamente ter uma base de um elemento de liga de metais no ferrosos, como nquel, ferro-nquel ou cobalto, ou metais ferrosos como ao carbono, ferro e ao inoxidvel. Apresentam como principais elementos de liga o cromo, o molibdnio, o tungstnio, o nibio, o titnio, o alumnio e o carbono. Alguns exemplos comuns incluem ligas Incoloy , Hastelloy , Inconel e ligas Rene TMS .O desenvolvimento das chamadas superligas comeou nos Estados Unidos nos anos de 1930, visando ligas de peso mnimo mas com altas resistncias caractersticas. Com tais propriedades excepcionais, as superligas podem ser benficas para uso em uma ampla gama de aplicaes em indstrias, incluindo: aeroespacial, em aplicaes crticas tais como lminas de turbinas para as sees de alta temperatura de motores a jato, bem como a explorao do espao; fabricao industrial, para uso em aplicaes de processamento, tais como peas forjadas, fundio ou outros processos de tratamento de calor de metais; automvel, para utilizao em veculos de alto desempenho como os carros esportivos e seds de luxo e de gerao de energia, usados em equipamentos como reatores nucleares e turbinas a gs.

Imagem 63. Naves espaciais so fabricadas de superligas, devido s suas elevadas resistencias mecnicas, temperatura e fluncia

Superligas de nquelIntroduo O desenvolvimento das chamadas superligas, de nquel, de cobalto e de ferro comeou nos Estados Unidos nos anos 1930, porm ao longo dos anos as superligas de nquel tornaram-se as mais utilizadas. Alm das turbinas de jatos, as superligas de nquel encontram aplicaes variadas em altas temperaturas, como em motores de foguetes e veculos espaciais em geral, reatores nucleares, submarinos, usinas termoeltricas, equipamento petroqumico, por exemplo. Entretanto, a principal aplicao dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas de jatos de aviao. Outros materiais, como ligas de cromo, de outros metais de mais alto ponto de fuso, e cermicos refratrios, tm sido estudados como possveis alternativas ao uso das superligas de nquel, porm at o momento, no foi encontrada nestes materiais uma melhor combinao de propriedades requeridas para esse tipo de aplicao do que a atualmente obtida com as superligas de nquel.Imagem 64. Caa-ereo

Superligas de nquelPropriedades:Propriedades Mecnicas A razo primordial para a existncia das superligas de nquel com diferentes composies qumicas a sua excelente resistncia mecnica num amplo intervalo de temperaturas. A estrutura cristalina compacta cbica de face centrada (CFC) da matriz austentica das superligas de nquel, como j foi comprovado, apresenta grande capacidade de manter resistncia trao, ruptura e boas Imagem 65. Microestrutura dendrtica na raiz de uma propriedades de fluncia em temperaturas homlogas p de turbina muito mais altas do que as ligas de matriz cbica de corpo centrado (CCC) por causa de vrios fatores, incluindo o excelente mdulo de elasticidade e a alta difusividade que os elementos secundrios possuem nesse tipo de matriz. de grande importncia a grande solubilidade de muitos elementos de liga na matriz austentica e a capacidade de controle da precipitao de fases intermetlicas como a gama linha, que conferem alta resistncia mecnica. O endurecimento tambm pode ser aumentado pela formao de carbetos e tambm pela dissoluo de alguns elementos na matriz (endurecimento por soluo slida). Essa capacidade de endurecimento dessas ligas austenticas de nquel, de cobalto e de ferro as torna adequadas para aplicaes em turbinas de jato e motores de foguetes, que exigem alta resistncia mecnica em mdia e alta temperatura. Entretanto, no apenas a resistncia mecnica/dureza importante nesse tipo de aplicaes. A ductilidade nas condies de servio tambm importante, e a maioria das superligas apresenta boa ductilidade. As superligas em geral apresentam tambm boa resistncia ao impacto, fadiga de alto e de baixo ciclo e fadiga trmica.

Superligas de nquelPropriedades Fsicas O nquel puro possui densidade de 8,9 g/cm, ponto de fuso 1455 C, estrutura cristalina CFC (cbica de face centrada). A densidade da maioria das superligas de nquel fica entre 7,79 e 9,32 g/cm. Por exemplo, a densidade da Inconel 100 (contm cerca de 60 % de nquel) de 7,79 g/cm, devido aos elevados teores de alumnio e de titnio, ao passo que as superligas com altos teores de tungstnio e tntalo chegam a densidades da ordem de 9,07 g/cm. A densidade uma propriedade importante para as superligas de nquel, uma vez que a reduo da densidade do componente de turbina de jato leva a um aumento das tenses centrfugas, reduzindo a vida til do componente. A condutividade trmica do nquel puro da ordem de 0,089 (W/mm2)/(C/mm), portanto superior do ferro puro (CCC: cbico de corpo centrado), que atinge somente 0,072 (W/mm2)/(C/mm). Porm a condutividade trmica das superligas muito inferior, da ordem de 10 % desses valores, devido adio de muitos elementos de liga em elevados teores. O ideal seria obter superligas com maior condutividade trmica, j que isso seria importante para dissipar calor e assim minimizar os gradientes de temperatura, reduzindo ento as tenses trmicas e assim a tendncia de ocorrer falha por fadiga trmica. A expanso trmica nas superligas de nquel menor do que nas ligas ferrosas austenticas e isso so importantes do ponto de vista da aplicao em turbinas de jatos, j que esses componentes so projetados com estreitas tolerncias dimensionais para operar bem em servio, alm de um baixo coeficiente de expanso trmica contribuir para minimizar as tenses trmicas, minimizando assim a ocorrncia de empenamento e fadiga trmica.

Resistncia a temperatura

Tabela 8. Propriedades das ligas de Nquel

Superligas de nquelHistria e AplicaesLigas Trabalhadas No final de 1941 na Gr-Bretanha foi lanada no mercado a liga Nimonic 75 e pouco depois a liga endurecvel por precipitao denominada Nimonic 80. Estas ligas nada mais eram do que modificaes da liga j existente contendo 80 % de nquel e 20 % de cromo com adies de titnio e alumnio para viabilizar o endurecimento por precipitao atravs da formao de precipitados do tipo gama linha, ou seja, de partculas coerentes com estrutura cristalina tipo CFC e composio qumica do tipo Ni3(Al,Ti). Nos Estados Unidos o monel (liga nquel-cobre) endurecido pelos precipitados gama linha est em produo comercial desde 1928, e o nquel endurecvel por precipitao desde 1934. Desde 1939 comeou o desenvolvimento de ligas nquel-cromo-ferro, assim como de tratamentos trmicos de solubilizao e envelhecimento de modo a maximizar sua resistncia mecnica em alta temperatura. Estas ligas so baseadas no Inconel 600 (que fica em soluo slida em alta temperatura) e envolve a adio de titnio e de alumnio para obter o efeito de endurecimento por precipitao atravs da formao de partculas de fase gama linha. A adio de 1 % de nibio ento criou a amplamente usada liga Inconel X-750.

Imagem 66 e 67. Inconel 600

Imagem 68. Nimonic 80A

Superligas de nquelHistria e Aplicaes Durante o final dos anos 1940 foram desenvolvidas as ligas Waspaloy e M-252, que se caracterizaram pela adio de molibdnio com duplo efeito de endurecimento por soluo slida e de formao de carbetos. Estas ligas foram ento muito usadas na fabricao de palhetas de turbina forjadas. Na verdade, a primeira aplicao de muitas ligas de nquel trabalhadas foi na fabricao de palhetas de turbinas. Mais recentemente estas ligas tambm passaram a ser usadas na fabricao de outros componentes e algumas ligas foram desenvolvidas especificamente para a fabricao desses outros componentes. Das ligas de desenvolvimento mais antigo, a M-252 permanece em uso na fabricao da estrutura de turbinas, enquanto a liga Waspaloy, desenvolvida inicialmente para a fabricao de palhetas de turbinas, passou a ser usada, de modo bem sucedido, na fabricao de componentes para rodas e de chapas soldadas. Outra liga importante dentro deste grupo a liga Incoloy 901. Estas ligas, assim como outras ligas trabalhadas base de nquel como Waspaloy e Astroloy encontram sua principal aplicao em discos forjados de turbinas. Essas ligas apresentam alta resistncia mecnica nas temperaturas de servio dos discos de turbinas. A aplicao de materiais com resistncia mecnica ainda mais alta permitiria o uso de discos mais finos, reduzindo o peso dos componentes e melhorando o desempenho dos motores. Uma das ligas mais interessantes para essa aplicao a liga AF2-1DA. Aps 11o horas a 650 C a liga Incoloy 901 rompe a uma tenso de 634 MPa, a Inconel 718 a 724 MPa, a Waspaloy a 758 MPa, a Astroloy a 903 MPa e a AF2-1DA a 1083 MPa .

Imagem 69 . Waspaloy

Superligas de nquelHistria e AplicaesLigas Fundidas Ao final dos anos 1950 o aumento das temperaturas de servio das turbinas era limitado pela capacidade das ligas trabalhadas disponveis, que, alm disso, apresentavam dificuldades no forjamento. Por este motivo, ligas com composio qumica que permitem mais alta resistncia mecnica s podem ser fabricadas por fundio (processo investimento, ou seja, por cera perdida). Entre as ligas fundidas mais usadas esto a 713C, a Inconel 100, a B-1900, a Udimet 500, a Ren 77, a Ren 80 e a Inconel 738. A necessidade de desenvolver ligas com melhor resistncia corroso em altas temperaturas e boa resistncia mecnica levou ao aumento do teor de cromo, principalmente no caso da fabricao de turbinas industriais a gs que devem suportar longo tempo de servio em alta temperatura, resistindo corroso a quente. Algumas dessas turbinas podem operar com combustveis contendo enxofre e vandio, ou podem ser utilizadas em embarcaes, entrando em contato com sais marinhos. Para essas aplicaes foram desenvolvidas ligas com melhor resistncia corroso em altas temperaturas, embora mantendo simultaneamente alta resistncia ruptura por fluncia. Exemplos de ligas desenvolvidas com esta finalidade so a Inconel 738, a Mar-M 421, a Udimet 710, e, posteriormente, ligas com maior resistncia mecnica mantendo alta resistncia corroso, como a Ren 80, a Inconel 792 e a Mar-M 432. A boa resistncia corroso dessas ligas obtida pela manuteno de teores de cromo moderadamente altos juntamente com uma razo titnio/alumnio relativamente alta e utilizando-se um balano cuidadoso de adies de metais refratrios. Destas ligas testadas em laboratrio as que apresentaram resistncia corroso em alta temperatura mais elevada foram s ligas Udimet 500 e Inconel 738. Estas ligas so competitivas com superligas de cobalto em termos de resistncia corroso em alta temperatura. Enquanto a liga Udimet 500 de desenvolvimento mais antigo e apresenta capacidade de resistncia mecnica em alta temperatura (935 C) moderada, a liga Inconel 738, desenvolvida mais recentemente, apresenta maior capacidade de resistncia mecnica em alta temperatura (980 C).

Superligas de nquelHistria e Aplicaes Ligas como a B-1900, a 713C e a Inconel 100 oferecem uma excelente combinao de resistncia mecnica em temperaturas intermedirias e elevadas. Inconel 738 e Ren 80 foram desenvolvidas posteriormente e alm de alta resistncia mecnica, apresentam excelente resistncia corroso em alta temperatura. As superligas de nquel fundidas, em geral, oferecem uma tima combinao de resistncia mecnica em altas temperaturas e em temperaturas intermedirias, necessria para a aplicao em palhetas de turbinas. Alm disso, apresentam boa dutilidade, resistncia oxidao/corroso em alta temperatura, estabilidade microestrutural e fundibilidade. Essa combinao de propriedades levou a uma ampla utilizao em ventoinhas, rodas e palhetas de turbinas. O uso do hfnio, em ligas como TRW-NASA VIA e Mar-M 247, melhora a dutilidade em temperaturas intermedirias, embora estas ligas, que apresentam elevada resistncia mecnica, possuam resistncia corroso relativamente baixa. Por outro lado, a liga Inconel 792 combina a alta resistncia mecnica da liga Inconel 100 com a excelente resistncia corroso em alta temperatura da liga Udimet 500.

Imagem 70. Inconel 738

O cobalto um metal com caractersticas e propriedades muito prximas s do nquel, porm com maior resistncia mecnica e um custo ainda mais alto. A resistncia corroso do cobalto tambm elevada. temperatura ambiente, a estrutura cristalina do cobalto hexagonal compacta, porm a 417 C o cobalto sofre transformao alotrpica, tornando-se cbica de face centrada (CFC), porm a transformao inversa (formao da fase hexagonal abaixo de 417 C) lenta. Entretanto, a presena de nquel e carbono a partir de determinados teores pode fazer com que a liga de cobalto se apresente com estrutura cristalina cbica estvel em temperaturas de trabalho, ou seja, em altas temperaturas, da ordem de 760 a 980 C, ou mesmo temperatura ambiente. importante ressaltar que, para certos tipos de aplicaes, a estabilidade da fase cbica temperatura ambiente um fator importante, pois proporciona liga maior resistncia ao choque trmico. muito indicado para aplicaes especiais, que exijam elevada resistncia corroso, propriedades magnticas, resistncia ao desgaste e resistncia mecnica em altas temperaturas. Alm disso, por apresentar biocompatibilidade, algumas ligas de cobalto (do sistema Co-Cr) podem ser utilizadas na fabricao de implantes cirrgicos ortopdicos. O cobalto tambm usado como elemento de liga em superligas, ligas magnticas, ligas de nquel, ligas de cobre, metal duro e aos ferramenta. Algumas propriedades fsicas do cobalto puro: nmero atmico: 27, massa atmica: 58,93, densidade (massa especfica): 8,83 g/cm, ponto de fuso: 1495 C, condutividade trmica: 69,04 W/m.K, condutividade eltrica: 28 % IACS.Imagem 71. Cobalto

Cobalto

Superligas de cobaltoComposio e Propriedade Os principais mecanismos de endurecimento que atuam nas superligas de cobalto, assim como nas demais superligas, so: o endurecimento por soluo slida, o endurecimento por precipitao (envelhecimento) e o endurecimento causado pela disperso de partculas (de xidos, de carbetos, de carbonitretos e de outros compostos) na matriz metlica. Em geral as propriedades das ligas de cobalto so superiores s das ligas de nquel, que por sua vez so superiores s das ligas de ferro, porm o custo de aquisio dessas ligas decresce de modo anlogo, ou seja, as superligas de cobalto so as mais caras. A principal diferena entre as ligas de cobalto e as ligas de nquel reside no fato de que as ligas base de cobalto resistem melhor ao corrosiva de alguns compostos de enxofre e outras substncias muito agressivas, que podem estar presentes em gases de exausto de certas mquinas trmicas. As superligas de cobalto recebem denominaes de marcas comerciais como Stellite, Tribaloy e Haynes, mas tambm designaes alfanumricas, como AR-213, MP-159 e MP-35N. As ligas Tribaloy se destacam por sua elevada resistncia ao desgaste.

Imagem 72. Stellite Series 2 ShearsMais de 75% Cobalt, Molibdnio, Tungstnio e Cromo

Superligas de cobalto Os elementos presentes nas ligas de cobalto podem ser divididos de acordo com suas respectivas funes: a) Nibio, cromo, nquel, tungstnio e tntalo: endurecem a superliga por soluo slida; b) Nquel: estabiliza a fase cbica de face centrada (CFC) como matriz; c) Titnio, molibdnio e tungstnio: formam carbetos. Obs.: o cromo tambm pode formar carbetos, mas sua principal funo proporcionar boa resistncia corroso, o que s ocorre se estiver em soluo slida; d) Carbono e nitrognio: proporcionam a formao de carbetos e carbonitretos, os quais restringem o crescimento de gro em altas temperaturas, contribuindo para manter boa resistncia mecnica nessas temperaturas; e) Alumnio, molibdnio, titnio, tungstnio e tntalo: formam fases intermetlicas que endurecem a liga por precipitao; f) Alumnio e cromo: ao permitir a formao de uma camada passivada de xidos (Al2O3 e Cr2O3), proporcionam alta resistncia corroso; g) Lantnio, trio e trio: proporcionam aumento de resistncia corroso em elevadas temperaturas. A composio das superligas de cobalto mostrada na tabela Co-1 abaixo.

Liga AiResist13 AiResist213 AiResist215 Elgiloy FSX-414 FSX-418 FSX-430 X-40 Haynes 150 Haynes 188 Illium X MAR-M302 MAR-M322 MAR-M509 MAR-M918

C 0,45 0,18 0,35 0,15 0,25 0,25 0,40 0,50 0,08 0,10 0,75 0,85 1,00 0,60 0,05

Mn 0,5 --2,0 2,0 1,0 1,0 --0,50 0,65 1,25 --0,10 0,10 0,10 0,2

Si --------1,0 1,0 --0,50 0,75 0,3 --0,20 0,10 0,10 0,2

Cr 21,0 19,0 20,0 20,0 29,5 29,5 29,5 25,0 28,0 22,0 29,0 21,5 21,5 21,5 20,0

Ni 1,0 --15,0 15,0 10,5 10,5 10,0 10,0 3,0 22,0 ------10,0 20,0 55,0

Co Bal. Bal. Bal. 40,0 Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal.

Mo ------7,0 --------1,5 -----

W 11,0 4,7 4,5 --7,0 7,0 7,5 7,5 --14,0 14,0 10,0 9,0 7,0 ---

Nb 2,0 -----------------------------

Bal. Bal. Bal. Bal.

---------

MP35N NASA Co-W-Re

--0,40

-----

-----

20,0 3,0

35,0 ---

35,0 Bal.

10,0 ---

--25,0

-----

S-816 V-36 WF-11, L605, Haynes 25 WF-31 WI-52 X-45

0,38 0,27 0,10

1,20 1,00 1,50

0,40 0,40 0,50

20,0 25,0 20,0

20,0 20,0 10,0

Bal. Bal. Bal.

4,0 4,0 ---

4,0 2,0 15,0

4,0 2,0 ---

0,15 0,45 0,25

1,42 0,50 1,0

0,42 0,50 ---

20,0 21,0 25,5

10,0 1,0 10,5

Bal. Bal. Bal.

2,6 -----

10,7 11,0 7,0

--2,0 ---

A resistncia ao escoamento destas ligas deve variar entre 445 e 585 MPa a 21 C e entre 305 e 400 MPa a 540 C, sua resistncia trao a 21 C entre 780 e 970 C e a 540 C entre 570 e 800 MPa . Tabela 9. Composio das ligas mais utilizadas de Cobalto

Superligas de cobaltoAplicaes De um modo geral, os principais objetivos no uso de uma superliga de cobalto consistem alta resistncia ao calor (tanto resistncia mecnica como resistncia corroso) em aplicaes tais como: componentes de turbinas a gs (tais como discos, aletas, parafusos e eixos), componentes de turbinas a vapor para gerao de energia eltrica (mesmos tipos de componentes), componentes de motores alternativos (tipo vlvulas de exausto e assentos de vlvulas), equipamentos de processamento de metais (ferramentas e componentes de fornos) e de produtos qumicos e petroqumicos (vlvulas, parafusos, reatores, tubos e bombas). As superligas de cobalto mais usadas na indstria so a Haynes 25 e a Stellite 6B. A Haynes 25 usada em componentes que operam em elevadas temperaturas em turbinas a gs e reatores nucleares, alm de diferentes peas que devem resistir ao desgaste. A Stellite 6B, que apresenta maior teor de cromo, caracteriza-se por sua alta resistncia eroso causada por gases aquecidos que escapam de turbinas a vapor ou a gs, podendo tambm ser utilizada em tubulaes que transportam fluidos com partculas em suspenso em altas velocidades e temperaturas.

Imagem 73. Haynes 25

Imagem 74. Stellite 6B

Ligas de Titnio e Zircnio

Ligas de Titnio e ZircnioTitnio: Elemento qumico de smbolo Ti, com nmero atmico 22 e massa atmica 47,90u. um metal resistente corroso e muito utilizado em ligas leves com aplicaes na indstria aeronutica, aeroespacial, e outras.Imagem 75. Titnio

Imagem 76. Zircnio

Zircnio: Elemento qumico de smbolo Zr, com nmero atmico 40 e massa atmica 91u. um metal duro e resistente corroso. um metal bastante utilizado como revestimento de reatores nucleares e como material refratrio em fornos industriais.

Ligas de TitnioPrincipais aplicaes das ligas de Titnio na engenharia: Equipamentos submarinos, devido alta resistncia corroso Indstria aeronutica (ps de turbina) Indstria nuclear como recuperadores de calor Indstria blica, muito empregado em fabricao de peas de artilharia Revestimento de eletrodos de soldar. Utilizado na condutividade trmica nos computadores

Existem 3 tipos de liga de titnio, so elas: Ligas do tipo Ligas do tipo Ligas do tipo + Cada uma dessas ligas possui suas propriedades especficas. seguir trataremos cada tipo de liga especificamente, trazendo suas caractersiticas e aspectos principais.

Imagem 77. Aplicao da liga do tipo

Imagem 78. Aplicao da liga do tipo

Imagem 79. Aplicao da liga do tipo +

Ligas do tipo As ligas do tipo so amplamente utilizadas em prteses odontolgicas e ortopdicas devido alta resistncia oxidao. A estrutura cristalina predominante na liga do tipo Hexagonal compacta (Imagem 1). Apresenta a menor resistncia mecnica dentre as ligas (at 500 MPa de presso).

Imagem 80. Estrutura cristalina Hexagonal Compacta

No aceita tratamento trmico, pois temperatura de 883 C ocorre a mudana da estrutura cristalina de Hexagonal Compacta para Cbica de Corpo Centrado (Imagem 2), caracterizando uma liga do tipo . A liga apresenta um baixo desgaste de material quando exposto uma carga constante de trabalho e alm de tudo possui uma densidade baixa se comparada resistncia oferecida pelo material. estabilizada com elementos tais como: Al, Ga, C, N, O e H.

Imagem 81. Estrutura cristalina CCC

Principais vantagens da liga do tipo : Baixo custo em relao s outras ligas Resistncia alta em comparao com a densidade do material Grande abundncia Resistencia oxidao e exposio cargas constantes de trabalho.

Principais aplicaes das ligas do tipo : Prteses odontolgicas Prteses ortopdicas

Ligas do tipo As ligas do tipo so amplamente utilizadas em aplicaes biomdicas devido ao seu baixo mdulo de elasticidade e atoxicidade. Vem sendo, inclusive, utilizada para substituir o uso da liga de Ti-6Al-4V (do tipo + ). tambm utilizada na fabricao de equipamentos esportivos como: tacos de golfe, quadros de bicicletas, entre outros. A estrutura cristalina Cbica de Corpo Centrado (CCC) (Imagem 3). Pode sofrer tratamentos trmicos pois possu alta resistncia temperatura. A resistncia corroso e a resistncia mecnica so maiores do que as da liga do tipo . estabilizada com elementos, tais como: Nb, Mg, Cu, F, Cr, V, Ta, Mo e a maioria dos metais nobres.

Imagem 82. Taco de Golfe de Titnio

Imagem 83. Estrutura cristalina CCC

Principais vantagens da liga do tipo : atxica, podendo ser amplamente utilizada na biomedicina. bastante utilizada em prteses de quadril e fmur devido ao baixo coeficiente elstico.

Principais aplicaes da liga do tipo : So utilizadas em prteses biomdicas em regies que requerem maior estabilidade estrutural. So uma alternativa vivel utilizao de Ti-6Al-4V (liga do tipo + ), por serem menos txicas e terem um menor coeficiente elstico Muito utilizadas no ramo esportivo na fabricao de tacos de golfe.

Ligas do tipo + Trata-se de uma liga composta das duas outras ligas. So amplamente utilizadas na indstria aeronutica, automobilstica, marinha e qumica. A presena da liga do tipo resulta na diminuio da fluncia da liga. altamente resistente oxidao, no possue propriedades magnticas, tem baixa reatividade e resistncia mecanica mdia (600 MPa a 1200 MPa). Uma das ligas mais importantes que encontram-se nesse grupo a Ti-6Al-4V. Esta permite ser trabalhada intensivamente mecanica e termicamente, sendo, portanto, uma das mais utilizada pelas indstrias. A microestrutura dessa liga pode ser observada na Imagem 4. Os principais estabilizadores desse grupo so os elementos: Fe, Cr, Mo e V. Tambm so utilizadas na produo de bens de consumo, como: relgios, pulseiras, artigos esportivos, entre outros.Imagem 84. Microestrutura da liga Ti-6Al-4V

Tabela de Propriedades Mecnicas das principais ligas de TitnioLiga Grau 1 Grau 2 Grau 3 Grau 4 Grau 6 Grau 9 TIMETAL 1100 Ti-64 Ti-6246 Ti-662 quase- quase- + + + Tipo E (GPa) 100 103 105 100-120 109 95-105 112 110-140 114 110-117 LE (MPa) 170-310 275-450 380-550 480-655 827 480 900-950 800-1100 1000-1100 950-1050 LRT (MPa) 240 345 440 550 861 620 1010-1050 900-1200 1100-1200 1000-1100 24 20 18 18 15 15 10-16 13-16 13-16 10-19 (%)

Ti-1023 Ti-1313 TNZT TMZF

quase- quase-

110 77 55 74-85

1000-1200 836-908 547 100-1060

1000-1400 973-1037 596 1060-1100

6-16 10-16 19 18-22 Tabela 10

Obs:Obs:

E Mdulo de Young; LE Limite de escoamento; LRT Limite de Resistncia trao; Alongamento (Mdulo de Engenharia) Segue no prximo slide as composies das ligas mencionadas nesta tabela juntamente com suas principais aplicaes na engenharia.

Liga Grau 1 Grau 2 Grau 3 Grau 4

Composio (%p.)

Aplicao

Ti-0,20Fe-0,18O0,005H-0,05N-0,08CTi-0,30Fe-0,20O0,015H-0,05N-0,08C Ti-0,30Fe-0,30O0,015H-0,05N-0,08C Ti-0,30Fe-0,20O0,015H-0,05N-0,08C

Utilizado principalmente pela marinha e indstria qumica como vasos de reatores, tubos de condensao e equipamento para dessanilizao.Alm da utilizao pela marinha e indstria qumica, tambm utilizado em aeronutica, como dutos de ar e turbinas.

Grau 6Grau 9

Ti-5Al-2,5SnTi-3Al-2,5V

Aplicao na marinha, aeronutica e indstria qumica. Suas aplicaes podem envolver faixas de temperaturas criognicas. Utilizado pela marinha, aeronutica e indstria qumica em aplicaes com altas temperaturas de servio. Utilizado em turbinas a gs, motores de foguetes e membro de estrutura de avio, alm de algumas aplicaes na indstria qumica.Utilizados em tubos de sistemas hidrulicos, componentes de avio e equipamentos esportivos. Utilizado em aplicaes envolvendo resistncia fluncia, como componentes automtivos. Liga de titnio mais utilizada comercialmente, possui aplicaes em componentes aeroespaciais, aeronuticos, automotivos, navais e mdicos. Utilizado em temperaturas intermedirias, como discos compressores e turbinas a gs. Possui resistncia mecnica maior que a Ti-64. utilizado como membro estrutural de avies e peas de motores de foguetes. Suas principais aplicaes so como componentes aeroespaciais e aeronuticos, alm de moldes para forjamentos de peas.

TIMETAL Ti-6Al-2,75Sn-4Zr1100 0,4Mo-0,45Si

Ti-64

Ti-6Al-4V

Ti-6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-662 Ti-6Al-6V-2Sn

Ti-1023 Ti-10V-2Fe-3Al

Ti-1313 Ti-13Nb-13Zr TNZT Ti-35Nb-7Zr-5Ta

uma liga biocompatvel desenvolvida na dcada de 90. Suas principais aplicaes encontram-se na forma de implantes biomdicos. a liga que possui o menor mdulo de elasticidade. Sua principal aplicao como implantes ortopdicos. Devido ao seu mdulo de elasticidade baixo, grandemente utilizada como biomaterial.

TMZF

Ti-12Mo-6Zr-2Fe

Tabela 11. Tabela de ligas de Titnio com composio e aplicaes correlacionadas

Ligas de ZircnioPrincipais aplicaes das ligas de Zircnio na engenharia: Aplicao na indstria nuclear, principalmente em tubos de revestimentos do elemento combustvel Componentes estruturais para reatores Utilizado como material refratrio, embora no seja muito utilizado comercialmente Tambm utilizado em implantes na biomedicina.

O Zircnio na Indstria NuclearUma das maiores preocupaes da rea nuclear, , sem sombra de dvidas a segurana de um reator durante a sua operao. Essa preocupao leva escolha de materiais que alm de boas propriedades mecnicas e estruturais, tambm ofeream um alto grau de confiabilidade em servio. O Zircnio um material que possui uma alta permeabilidade a neutrons trmicos, alm de boas propriedades mecnicas e de resistncia corroso em altas temperaturas. A adio do elemento estanho ao zircnio, com a finalidade de melhorar sua resistncia corroso, deu origem a uma grande classe de ligas identificadas como Zircaloys. Essas ligas foram desenvolvidas pela Westinghouse, nos anos 50, para serem usadas como revestimento (cladding) do combustvel nuclear para reatores do tipo PWR.

Curiosidade:A reduo da demanda na produo de zircnio ps guerra fria na Rssia resultou em uma produo de itens domsticos exticos, como vasos, garrafas, entre outros.

Imagem 85. Vaso russo feito de zircnio ps Guerra Fria

Imagem 86. Anel feito de zircnio e fibra de carbono

Imagem 87. Abotoaduras feitas de zircnio

Abaixo, uma tabela com as principais ligas de zircnio, com suas respectivas composies e aplicaes na indstria nuclear:Alloy Zircaloy 2 Zircaloy 4 ZIRLO Sn, % 1.21.7 1.21.7 0.71 Nb, % 1 Vendor (country) All vendors All vendors Westinghouse Japan and Russia Westinghouse Component Cladding, structural components Cladding, structural components Cladding Cladding Cladding Reactor type BWR, CANDU

BWR, PWR, CA NDUPWR BWR BWR

Zr Sponge ZrSn 0.25

Zr2.5Nb E100E125 E635 M5

0.81.3

2.42.8 0.91.1 Russia2.5 0.81 Russia Russia

Pressure tube CladdingPressure tube Structural components Cladding, structural components

CANDU RBMKRBMK RBMK PWR

0.81.2 Areva

Tabela 12. Ligas de Zirconio, aplicaes na industria nuclear, composies e distribuidores

Observaes importantes: O zircaloy-2 surgiu a partir de uma contaminao com ao inoxidvel durante um estudo de ligas base de zircnio e estanho. A liga apresentou um bom comportamento de resistncia corroso e passou a ser utilizado comercialmente. Uma variao dessa liga apresentando um baixo teor de estanho, entre 0,25 e 0,5%, nunca foi produzida comercialmente e foi denominada como zircaloy-3. A liga zircaloy-4, largamente utilizada at os dias atuais, uma variao do zircaloy-2 isenta de nquel, que foi desenvolvida para diminuir a captura de hidrognio e que apresenta uma melhor resistncia corroso com relao ao zircaloy-2. A liga denominada ZIRLO foi desenvolvida com o intuito de substituir as ligas clssicas da indstria nuclear. Esse novo material considera o oxignio um elemento de liga e no mais como uma impureza. Sua finalidade aumentar o limite de elasticidade convencional por soluo slida de reforo. A liga basicamente composta por Zr-1Nb-1Sn-0,1O e apresenta precipitados do tipo ZrNbFe.

A seguir, uma tabela mais especfica de cada elemento de liga do Zircaloy e Zirlo (em % de massa):

Tabela 13

Obs: No zirlo, a influncia do oxignio a de aumentar a temperatura de transformao da fase + em , enquanto que o ferro a de diminuir essa temperatura.

Ligas de baixo ponto de fusoEstanho (Sn), Chumbo (Pb), Zinco (Zn)

Caractersticas gerais Definidos como os materiais com temperatura de fuso abaixo de 800C; No so sensveis ao trabalho a frio, no apresentando, por isso, encruamento por deformao plstica; Apresentam fluncia temperatura ambiente, no sendo por isso usados em aplicaes estruturais; So particularmente indicados para a obteno de peas fundidas devido sua elevada fluidez e ao seu baixo ponto de fuso.Estrutura Estanho Chumbo Zinco Tetradrica CFC HC Temperatura de Fuso 232C 327C 419,5C

Tabela 14. Metais de baixo ponto de fuso com suas respectivas estruturas e Tfusao

ChumboCaractersticas Gerais O mineral do chumbo mais comum o sulfeto denominado de Galena (PbS); Composio e estrutura: Pb 86,6% e S 13,4%; Cor branco azulada quando recentemente cortado; Cor acinzentada quando exposto ao ar; altamente malevel, dctil e de baixo ponto de fuso; Baixa condutividade elctrica e altamente resistente corroso; Um dos metais mais pesados (Elevada massa especfica, cerca de 11,34 kg/dm); Ponto de fuso 327C.

Imagem 88. Galena

ChumboAplicaes Usa-se para solda suave (liga estanho-chumbo); Fabricao de acumuladores; Elemento de construo civil; Pigmentos; Proteo contra raios X; Munies; Substitui o Sn em chumaceiras; As ligas de clcio-chumbo e de estanho-chumbo so utilizadas no revestimento de certos cabos elctricos; Ligas para fundio.

Imagem 89. Munio de Chumbo

EstanhoCaractersticas Gerais O estanho obtido principalmente do mineral cassiterita (SnO2) ; Cor branco prateado; malevel porm frgil quando aquecido; Pouco dctil, de baixo ponto de fuso e altamente cristalino; No se oxida facilmente com o ar e resistente corroso. Ponto de fuso 232C

Imagem 90. Cassiterita

EstanhoAplicaes Usado para o revestimento do chumbo ou zinco e do ao para impedir a corroso; Soldar juntas de tubulaes ou de circuitos eltricos e eletrnicos; Formar ligas (bronze, bronze fosforoso, solda brandas), que so usadas para a fabricao de molas, fusveis, tubos e peas de fundio como mancais e bronzes; Armas e utenslios bronze; Espelhos e na produo de papel, remdios e fungicidas sais de estanho; Lminas muito finas utilizadas para acondicionar vrios produtos como, por exemplo, maos de cigarros e barras de chocolate; Ligas para fundio.

Imagem 91. Utenslios de bronze

ZincoCaractersticas O zinco extrado da Esfalerita (ZnS); Composio e estrutura: Zn 67% e S 33% quando puro ; Cor branca azulada; O metal apresenta uma grande resistncia deformao plstica a frio que diminui com o aquecimento, obrigando a lamin-lo acima dos 100C; O zinco apresenta boa fundibilidade; Ponto de fuso 419,5C.

Imagem 92. Zinco Puro

Imagem 93. Esfalerita

ZincoAplicao Galvanizao do ao ou ferro para proteg-los da corroso (o zinco usado como nodo de sacrifcio); Fabricao de ligas metlicas Lato, bronze para molas, ligas para solda; Produo de telhas e calhas residenciais; Pilhas secas; Pigmento para tinta na cor branca; Peas fundidas para indstria automvel, equipamentos eltricos, entre outros.

Imagem 94. Lato

Imagem 95. Galvanizao

Soldagem Os metais de baixo ponto de fuso so muito usados para ligas de soldagem, portanto, aqui h a resistncia trmica deles:Material ZincoEstanho Chumbo

Resistncia Trmica 0.901.55 3.00Tabela 15. Materiais associados sua resistncia trmica

Solda Estanho-ChumboSoldas Brandas So ligas metlicas de estanho e chumbo temperatura slida de 183 C, com % de estanho entre 20 a 98%; Ligas abaixo de 20% de estanho temperatura slida mais elevada, usadas em casos que exijam maior temperatura na aplicao. Estanho elemento que d fluidez liga (facilidade de preencher o vazio das juntas a serem soldadas), e a molhabilidade (capacidade de entrar em contato com os metais base e formar com eles ligas metlicas). Chumbo elemento de diluio para reduo de custo. Reduz a temperatura de fuso Melhora as propriedades mecnicas das juntas soldadas.

Diagrama de fase da liga Sn-Pb

Propores de Sn/Pb e suas aplicaes

Tabela 16. Principais ligas e suas composies e aplicaes

Materiais alternativos para substituir o Chumbo e seus custos

Tabela 17. Elementos que podem substituir o Pb e seu custo relativo

Outras ligasEsses metais tambm so usados em ligas j explicadas anteriormente. So elas: Bronze (Estanho e Cobre) Lato (Cobre e Zinco)

Metais Refratrios

Metais refratrios So os metais que possuem temperatura de fuso extremamente elevadas (acima de 1800 C). So eles: Nibio (Nb) Molibdnio (Mo) Tungstnio (W) Tntalo (Ta)

Imagem 96. Peas com endurecimento externo

Imagem 97. Peas com endurecimento externo

Observao: Zircnio;

Cromo; Vandio; Hfnio e Rnio (muito raros);

Os trs primeiros materiais, apesar do ponto de fuso elevado (acima de 1800 C) geralmente no so utilizados como metais refratrios. Os metais hfnio e rnio, tem muitas aplicaes como metais refratrios, entretanto, so muito raros (i.e. o Rnio encontra-se em pequenas quantidades espalhadas pela crosta terrestre ~0,001 ppm)

Generalidades Possuem alta densidade; Baixa ductilidade temperatura ambiente; Possuem ligaes interatmicas extremamente fortes, que so responsveis pelos altos pontos de fuso dos metais refratrios;

Tambm possuem elevados mdulos de elasticidade; Alm disto, possuem elevadas resistncias e durezas.

TntaloPropriedades: um dos menos abundantes dos refratrios; Na natureza, ocorre associado ao Oxignio (oxidos); A sua temperatura de fuso de 2996 C; Densidade: 16,6 g/cm; Baixa resistncia;

Mdulo de elasticidade = 185 Gpa;

Tantalo - Caractersticas Excelente condutor trmico; Boa resistncia corroso em temperatura ambiente; Suas principais aplicaes se devem as suas caracteristicas de: Resistncia;

Inrcia qumica; Dureza; Ductilidade;

Tantalo - Aplicaces Material cirrgico de placas; fios para inxerto cirrgico (devido a sua resistncia corroso); Permutadores de calor Processamento qumico Lmpadas incandescentes (filamentos) Reatores nucleares Capacitores

Imagem 98. Capacitor feito com o uso de tntalo

Imagem 99. Fios de tntalo

Tntalo - Aplicaes Fabricao de ligas metlicas Ao Tntalo para aplicaes em Prteses dentrias;

Turbinas de avio Ferramentas de corte cirrgico);

Ta205 lentes de elevado ndice de refrao; Em 2001, o Brasil possua quase 50% das reservas mundiais de tntalo;

Imagem100. Instrumentos cirurgicos feitas de liga Ao - Tntalo

Nibio

Imagem101. Minrio de Nibio

Imagem102. Nibio

Caractersticas Ponto de fuso: 2468 C; Estrutura: CCC;

Densidade: 8,57 g/cm^3; Baixo mdulo de elasticidade;

Baixa absoro de neutrons; Metal dctil; Propriedades qumicas muito semelhantes as do tntalo;

Nibio - Aplicaes Muito utilizado na indstria nuclear e na aeroespacial; Soldas eltricas; Superligas; Equipamentos que necessitam altas resitncia a combusto; Alternativa ao Tntalo para a utilizao em capacitores;

Cerca de 75% do consumo de nibio est ligado aos aos microligados; Nos aos microligados, o nibio forma carbonetos estveis, refina o gro, e torna o ao suscetvel ao endurecimento 'precipitation hardening'. Teores de Nibio entre 0.01% e 0.20%

Tungstenio

Imagem103 e 104. Tungstnio

Tungstnio Caractersticas Ponto de fuso: 3410 C; Densidade: 19,3 g/cm; Estrutura: CCC; Maior temperatura de fuso, maior densidade e maior dureza dentre os metais estruturais;

Elevado mdulo de elasticidade (406 Gpa); Bom condutor eltrico;

Tungstenio - Aplicaes Filamentos de lmpadas Contatos eltricos Eletrodos no consumveis Proteo contra radiao Contrapesos, Volantes de inrcia, etc... (maior densidade)Imagem 105. Filamento de lmpadas feito base de Tungstnio

Imagem 106. Contatos eltricos de Tungstnio

Molibdnio

Imagem 107. Molibdnio

Molibdnio - Caractersticas Ponto de fuso: 2617 C; Densidade: 10,22 g/cm; Estrutura: CCC; Elevado mdulo de elasticidade (317 Gpa); Elevada resistncia a choques trmicos; Elevada condutibilidade trmica;

Molibdenio Liga TZM 0,5 Ti 0,07 Zr; Resistncia elevada a altas temperaturas (700 Mpa a 1000 C); Melhor que qualquer ao inox ou liga de Ni;

Imagem 108. Liga TZM

Molibdnio - Aplicaes Ligas de aos; Dispositivos eletrnicos de comando (aviao); Escudos de radiao; Moldes para processamento de vidro; Matrizes de forjamento e extruso;

Imagem 109. Matrizes de forjamento e extruso

Hfnio

Imagem 110. Hfnio

Hfnio Caractersticas Ocorre junto com o Zircnio na Natureza; Carboneto, Nitreto e Boreto de Hfnio Temperatura de fuso entre 3000 C e 4000 C; Nitreto e Boreto de Hfnio Bons condutores eltricos a temperaturas elevadas;

Grande poder de absoro de nutrons;

Hafnio Aplicacoes Lmpadas de gs e lmpadas incandescentes; Submarino Atmico; Engenharia nuclear; Ligas de Ferro, Titnio, Nibio e Tntalo;

Renio

Imagem 111 e 112. Renio

Renio Principal fonte: Molibdenita; Tambm ocorre nos minrios de platina, no mineral columbita-tantalita e em alguns minrios de cobre; Muito raro: Concentrao na crosta terrestre = 0,001 ppm; No foram identificadas ocorrncias em solo brasileiro;

Renio - Aplicacoes Filamentos em espectrgrafos de massa e em detectores de ons;

Aditivo no Tungstnio ou em ligas de molibdnio (melhora das propriedades); Material de contato eltrico (boa resistncia ao desgaste e corroso); Termopares (usados para medir temperaturas de at 2200 C);

Lmpadas de flash para fotografias;

Metais Nobres

Generalidades

So caros (preciosos) Propriedades superiores ao notaveis (nobres) Moles, dcteis e resistentes ao calor

So eles: Prata, Ouro, Platina (trs principais),Paldio, Rodio, Rutnio, Iridio e Osmio

Imagem 113. Ouro e Prata

Imagem 114. Aplicao usual dos metais nobres: jias

Prata - Caractersticas

Mtodo de obteno: eletrliseDensidade: 10,5 g/cm^3 Ponto de fuso: 960,8 C Dureza: 25 HB timo condutor de calor e eletricidade Prata fundida pode absorver 22 vezes seu prprio volume de oxignio expelido na solidificao

Imagem 115. Prata

Prata - Aplicaes

Indstria eltrica e eletrnicaIndstria qumica Eletrodomsticos Jias TelecomunicaoImagem 116. Prata em jia

Ligas de prata utilizadas em prteses dentrias

Ouro - Caractersticas

71% da condutividade eltrica do cobre

Pesado, malevel e dctilNo reage com a maioria dos compostos qumicos

Geralmente encontrado no estado puro em forma de pepitas Contedo do ouro em ligas e expresso em quilates (24 quilates=ouro puro)Imagem 117. Barra de ouro

Ouro Aplicacoes

Aplicaes decorativas Boa condutividade e elevada estabilidade:

peas de contato na rea de correntes baixas; telecomunicaes e eletroeletrnica;Endurecido em ligas metlicas por Prata e Cobre Eletrodeposio Maior parte aplicado para fins monetriosImagem 118. Pepitas de ouro

Platina - Caracteristicas

Ponto de fuso: 1768,4 CDctil

MalevelResistente corroso (mas instantaneamente dissolvida em gua rgia -HNO3 +HCl) Em ligas a altas porcentagens de ferro, o metal magntico

Imagem 119. Platina

Platina - Aplicaes

Equipamentos de laboratrios qumicos Catalisador (aprox. 40%principalmente na fabricao de gasolina90%) Termopares (medio de temperaturas elevadas) Odontologia prottica (implante e fixao de brocas)

Imagem 120. Platina na odontologia

Seminrio de Engenharia de Cincia dos Materiais 1 Professor Haroldo Cavalcanti PintoAfonso Brunelli Ferragut - 7661713 Jos Gabriel Menezes Freitas - 7160579 Pedro Antnio de Souza Rodrigues do Carmo - 7127988