METAIS NÃO FERROSOS COBRE E SUAS LIGAS ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de...

METAIS NÃO FERROSOSCOBRE E SUAS LIGAS

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota1

MATERIAL DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA

Bronzinas

Materiais

Metais Não-metais

Ferrosos Não-ferrosos Sintéticos Naturais

Aço

s

Fof

os

Pes

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Leve

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Plá

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OBTENÇÃO DOS METAIS NÃO-FERROSOSOBTENÇÃO DOS METAIS NÃO-FERROSOS

Cobre- minérios: Calcopirita CuFeS2 e cobre nativo.

Alumínio- minério: Bauxita Al2 O3H2

A metalurgia do alumínio compreende basicamente duas fases:

Obtenção da Alumina (Al2 O3), a partir do minério (bauxita).

Eletrólise da Alumina (processo Bayer).

METAL COBRE

O cobre é um metal vermelho-marrom, Tf= 1083ºC, p=8,96g/cm3 (a 20ºC), sendo após a prata, o melhor condutor de calor e de eletricidade.

O cobre apresenta ainda excelente deformabilidade. Boa resistência a corrosão Boa resistência mecânica Boa usinabilidade Cor decorativa Propriedades Mecânicas: Recoz. LE – 5 a 8 kgf/mm2, A - 48 a 50% Encr. LE – 18 a 35 kgf/mm2, A – 6 a 30%

PRINCIPAIS LIGAS DE COBRE

Cobre- Estanho (bronze) Cobre-Zinco (latões) Cobre-Níquel-Zinco (alpaca) Ni 68%- Cu 29%- Fe 2%- Mn 1% (monel) É dúctil, resistente a altas temperaturas e a corrosão.

MONEL

Ni 68%- Cu 29%- Fe 2%- Mn 1% (monel) É dúctil, resistente a altas temperaturas e a corrosão Pás de turbinas a vapor, condensadores e rotores de bombas para soluções

corrosivas.

Suporta ate 350ºC em meios ácidos fortes como HCl e HF.

APLICAÇÕES

O Cobre e suas ligas encontram aplicações nos mais diversos setores: construção civil, elétrica, automobilística, arquitetura, eletro-eletrônica, mecânica, objetos decorativos, bélica, mineração, construção naval e exploração petrolífera, entre outras.

METAL ANTI-FRICÇÃO

Bronze Fosforo 90,4 %Cu + 8,9 %Sn + 0,7 %P.

Metal Branco, “Patente” 5 %Cu + 85%Sn + 10%Sb(Antimônio).

BABBIT – Bronzina com camada anti-fricção constituida de chapa de aço revestida de Metal Branco.

Bronzinasde Biela

Soft, white metal, an alloy of tin, lead, copper, and antimony, used to reduce friction in bearings,

developed by the US inventor Isaac Babbit in 1839.

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AVARIAS EM BRONZINAS

1. Desalinhamento2. Montagem Incorreta3. Lubrificação4. Impurezas5. Sobrecarga6. Corrosão7. Manutenção:- Corretiva – Paradas não programadas- Preventiva – Paradas programadas- Preditiva Monitoramento continuo –

termografia, vibração, ultra-som e Análise de óleo

- Proativa – Eliminaçao da raiz do problema – Alinhamento a Laser e Balanceamento de Precisão

Análise de óleo: Ferrografia Espectrofotômetro

FUNÇÕES DO LUBRIFICANTE: REDUZIR O DESGASTE (redução das forças de atrito) VEDAÇÃO (evita a entrada de impurezas) LIMPAR – Detergente / dispersante – Remoção de contaminantes PROTEGER – Anti-corrosivo (isolamento elétrico) ARREFECER – Redução de calor (Amortecimento dos choques

dissipa energia mecânica) INFORMAR

O lubrificante é o sangue do motor

ALUMÍNIO

A resistência mecânica é baixa; no estado puro o seu valor gira em torno de 5 a 6 kgf/mm² ; no estado encruado (laminado a frio com redução de 75%) sobe para cerca de 11,5 kgf/mm².

É muito dúctil: alongamento de 60 a 70%. Devido a sua alta ductilidade, é facilmente laminado, forjado e trefilado, de modo a ser utilizado na forma de chapas, folhas muito finas, fios, tubos, etc.

METAL ALUMÍNIO

Peso específico: 2,7 g/cm³ a 20 °C.

Ponto de fusão: 658 °C.

Módulo de elasticidade: 6336 kgf/mm²

Pertence ao sistema cúbico de face centrada.

Apresenta boa condutibilidade térmica e relativamente alta condutibilidade elétrica(62% da do cobre).

É não-magnético e apresenta baixo coeficiente de emissão térmica.

O baixo peso específico do alumínio, aproximadamente um terço do ferro.

CFC

Por apresentar boa resistência à corrosão, ou seja, a ataques do meio ambiente, o alumínio também é empregado na fabricação de esquadrias para prédios residenciais ou industriais, tanques para transporte e armazenamento de combustíveis e produtos químicos.

Devido à estabilidade do seu principal óxido (Al2O3) que se forma na superfície do metal, pelo processo de anodização, que ainda melhora sua aparência, tornando-o adequado para aplicações decorativas.

ALUMÍNIO

Uma utilização muito comum do alumínio é como embalagem: remédios, alimentos, bebidas, etc.

Todos esses produtos estão protegidos contra a umidade e a luz e podem, assim, ser conservados por muito mais tempo, graças ao alumínio.

ALUMÍNIO

COMPARAÇÃO COM OUTROS METAIS

Baixo coeficiente de emissão térmica → Isolante térmico.Temperatura de Fusão: 660ºC

Rodas Forjadasde Alumínio

Aeroespacial

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

PRINCIPAIS IMPUREZAS

• Ferro " reduz a trabalhabilidade (AlFe3)

! Silício " aumenta a resistência à tração

! Cobre " aumenta a resistência à tração.

PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA

• Cu, Mg, Si, Zn, Ni, Ti, Cr, Co, Pb, Sn e outros.

Bobina de chapa fundida

capô

CURIOSIDADE

O alumínio foi mostrado pela primeira vez na Exposição Universal de Paris em 1855.

Era um metal tão raro que valia muito mais que o ouro e, praticamente, não tinha preço.

Conta-se que, na corte do rei Napoleão III, havia uma baixela de alumínio que era reservada somente para o imperador, sua esposa e alguns convidados muitos especiais.

O outros convidados tinham que se contentar com as baixelas de ouro apenas…

PROCESSO HALL/HEROULT DE PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO O método de extração foi desenvolvido por Paul Heroult na França e Charles M. Hall nos EUA.

No dia 23 de abril de 1886, era registrado em Paris o pedido de patente por Paul Luis Toussaint Heroult de processos de redução eletrolítica de alumina dissolvida em banho fundido de criolita.

Pouco depois, era depositado nos Estados Unidos pedido análogo, por Charles Martin Hall.Esse processo perdura até hoje.

Permitiu extraordinário progresso na produção do alumínio.As vidas desses dois inventores apresentaram muitas coincidências.

Ambos Nasceram em 1863; as descobertas, exatamente na mesma linha, feitas por trabalhos totalmente independentes um do outro, foram feitas quando tinha 22 anos de idade; ambos faleceram em 1914; Heroult, oito meses mais velho que Hall, faleceu oito meses antes.

Hall / Heroult

PROPRIEDADES DA ALUMINA (AL2O3)

# é estável

# não é transparente

# é inerte

# protege o Al dos meios agressivos

" A proteção do Al pode ser melhorada por anodização”.

ALUMÍNIO ANODIZADO

Melhora a resistência a corrosão e o aspecto.

Anodização (oxidação anódica) → Eletrólise

Camada Anódica

Interior → 10 um

Exterior → 15 um

Exterior sem limpeza → 25 um

TÊMPERAS

Sistema usado pela ALCAN:H → Indica que o material não é Tratável TermicamenteT → Indica que o material é Tratável Termicamente.

Sistema de Classificação de TêmperasNorma ABNT: NBR 6835/1981

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Como o valor de alongamento é proporcional à espessura, foi tomado como base o intervalo de espessura de 0,5 a 1,0 mm.

Para têmpera H2X não se aplica limite de escoamento. Valores da tabela não são aplicados a produtos homogenizados. Os valores da dureza são orientativos. Têmperas H12 e H22 sob consulta. 1MPa = 9,807 kg/mm².

TRATAMENTOS TÉRMICOSprecipitação ou envelhecimento

Consiste na precipitação de outra fase, na forma de partículas extremamente pequenas e uniformemente distribuídas.

Esta nova fase enrijece a liga. Após o envelhecimento o material terá adquirido

máxima dureza e resistência. O envelhecimento pode ser natural ou artificial.

Tramento térmico de envelhecimento

TRATAMENTO TÉRMICO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO

O principal tratamento térmico consiste em solubilização seguido de endurecimento por precipitação.

Ex: Liga Al-Cu com 5,5% de cobre é aquecida a 540ºC, todo o cobre será dissolvido no alumínio, resfriando-se rapidamente a liga em água, ela fica supersaturada pois não se dá tempo para a precipitação do cobre.

TRATAMENTO TÉRMICO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO

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Solubilidade do Cu no Al na temperatura ambiente = 0,10% A seguir, promove-se o “envelhecimento” ou “precipitação” de uma fase constituída de partículas finas de CuAl2, que fortalecem a liga, porque promovem a obstrução dos movimentos das discordâncias.

Duro Alumínio – ABNT 24320 (ligas de alumínio endurecíveis por precipitação)

Envelhecimento:

• Natural – Temperatura Ambiente – 2 dias

•Artificial – Reaquecimento da liga – poucas horas.: O

SOLDAGEM DO ALUMÍNIO

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A soldagem de alumínio requer cuidados especiais, principalmente pelo fato do alumínio criar uma camada de óxido refratário em sua superfície quando em contato com o oxigênio, esta camada tem ponto de fusão em torno de 2000°C (sendo a do alumínio de 660°C).

Os processos mais utilizados para soldagem em alumínio são o TIG e o MIG.

Ambos são capazes de remover a camada de óxido durante a soldagem pelo arco elétrico e de criar uma atmosfera protetora que impede a entrada de oxigênio, causador da camada de óxido.

SOLDAGEM DO ALUMÍNIO

Obs: Em circuitos de corrente contínua, a unidade de A.F. só funciona na partida para a abertura do arco.

Quando a corrente é estabelecida ele cessa.

TIG (Tungsten Inert Gas)

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CCPD CCPR CA

AÇÃO DE LIMPEZA DO ÓXIDO NÃO SIM SIM (cada meiociclo)

70 % peça 30 % peça 50 % peçaBALANÇO DE ENERGIA

30 % eletrodo 70 % eletrodo 50 % eletrodo

EFEITO DA POLARIDADE NO FORMATO DO CORDÃO TIG

(AWS Welding Handbook, vol.2, 1991)

(+)

(-)

(+) (-) CA

CA

MATERIAIS SOLDÁVEIS PELO PROCESSO TIG

- AÇOS CARBONO E DE BAIXA LIGA- AÇOS INOXIDÁVEIS E LIGAS REFRATÁRIAS- LIGAS DE ALUMÍNIO- LIGAS DE MAGNÉSIO- BERÍLIO- LIGAS DE COBRE- LIGAS DE NÍQUEL- METAIS REFRATÁRIOS E REATIVOS- FERRO FUNDIDO

PROPRIEDADES QUÍMICAS DO Al - CORROSÃO

O Al sofre pouca corrosão quando exposto ao ar, devido ao óxido (Al2O3) que se forma espontaneamente na superfície.

A adição de elementos de liga geralmente retarda a formação do óxido, não melhorando a resistência à corrosão.

LIGAS DE MAGNÉSIO

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HC

ANEXOS:

FABRICAÇÃO DE CHAPAS DE ALUMÍNIO (CASTER)

APLICAÇÕES AUTOMOTIVAS

OBRIGADO

TITÂNIO

Propriedades e Características

O TITÂNIO É UM METAL BASTANTE LEVE E MUITO DURO  

Peso específico: 4,5 Símbolo: Ti

Número atômico: 22 Massa atômica: 47,9

Foi descoberto em 1791 por W. Gregor em pesquisas com a areia magnética. Mais tarde M. H. Klaproth o encontrou no rutilo e em

1825 foi isolado por J. J. Berzelius.

>> TITÂNIO

Não é encontrado em forma elementar mas sim ligado a outros metais e substâncias e nessa forma está amplamente distribuído na natureza.

Seus minerais importantes são o rutilo e o anatase.

Não é facilmente atacado pelos ácidos e com o ácido nítrico forma-se o ácido titânico.

>> TITÂNIO Há alguns anos, devido ao grande espectro de

cores que possibilita, começou a ser empregado em vários tipos de objetos.

É um metal que não pode ser facilmente soldado pois seu ponto de solda está entre 1.600 e 1.800ºC.

A indústria utiliza-se de gás argônio e maçarico de tungstênio para soldá-lo.

Logo, em alguns tipos de peças sua solda é inviável. Sua fixação costuma ser feita através de cravação, garras, rebites, parafusos, etc.

>> TITÂNIO

É um material de difícil modelagem, mas pode-se conseguir uma certa deformação.

A coloração do titânio pode ser feita de duas

formas:

Por aquecimento (mais difícil de controlar)

Por processo eletroquímico

>> TITÂNIO

O "surgimento" de cores na superfície do titânio ocorre devido à formação de uma certa espessura de óxidos sobre o mesmo.

Na verdade as cores não estão presentes nos óxidos, elas resultam do fenômeno "Interferência Ótica".

>> TITÂNIO

SURGIMENTO DE CORES NO TITÂNIO

Existem duas superfícies paralelas, a de óxido e a do metal.

A camada de óxido tem transparência variável conforme sua espessura.

A luz incide sobre a superfície atravessando a camada de óxido e atingindo a face refletiva do metal.

A luz é desviada de volta à superfície passando pela camada de óxido novamente.

As diferenças na espessura nessa camada causam cores diferentes aos olhos do espectador.

>> TITÂNIOGama de cores que pode ser obtida no titânio (aproximações):

>> TITÂNIOPROPRIEDADES:

No estado puro, é um metal brilhante, leve, de boa resistência mecânica e excelente resistência à corrosão.

É dúctil, se livre de oxigênio. É um dos poucos elementos que queimam no nitrogênio. É resistente aos ácidos clorídrico e sulfúrico diluído, à maioria dos ácidos orgânicos, a gases e soluções contendo cloro.

É considerado um metal inerte. Em muitas aplicações, em especial na presença de cloro, a

resistência à corrosão é superior à resistência dos aços inoxidáveis. A resistência mecânica é comparável à do aço, com um peso 45% menor.

É 60% mais pesado que o alumínio mas com o dobro da resistência. O dióxido de titânio puro é claro e apresenta elevado índice de refração.

>> TITÂNIOAPLICAÇÕES:

A elevada resistência à corrosão é fator decisivo para emprego em uma variedade de equipamentos industriais.

• Componente importante de ligas com alumínio, molibdênio, manganês, ferro e outros metais. Ligas de titânio são leves e suportam altas temperaturas e, por isso, são empregadas em

aviões, mísseis, naves espaciais.

• Dióxido de titânio é extensivamente usado em tintas, pelo alto poder de fixação.

• Eixos de hélices e outras aplicações, onde a resistência á corrosão à água do mar é necessária.

>> TITÂNIOAPLICAÇÕES:

Em termos genéricos, pode-se dizer que o titânio metal e várias de suas ligas apresentam a benéfica combinação de alta resistência mecânica e térmica, alta resistência à corrosão e baixa massa específica e, portanto, usados em aplicações críticas, nas quais o conjunto dessas propriedades é importante.

Tetracloreto de titânio é usado para fabricar vidros iridescentes (as cores mudam de acordo com o ângulo de visão).

Produz também intensa fumaça no ar e é usado para cenas de efeito (não é inofensivo. A fumaça se dá pela reação com a umidade do ar TiCl4 + 2H2O → TiO2 + 4HCl).

Titânio e ligas são usadas em próteses ósseas, implantes dentários. Também em instrumentos cirúrgicos.

CULTURA POPULAR - PINTOR ROMERO BRITTO

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COMPOSITOS - PAINEIS

Prático, moderno e versátil. Reynobond é indispensável em projetos inovadores e de grande impacto visual. A leveza, conformabilidade, opções de cores e acabamentos, e a facilidade de aplicação fazem deste produto uma solução completa em qualquer necessidade arquitetônica.

O Reynobond é composto por 2 chapas de alumínio até 0,5mm de espessura unidas por um núcleo de polietileno puro de baixa densidade. É rigorosamente plano e ao mesmo tempo de alta conformabilidade

BrisesComunicação VisualForros PilaresMarquisesFachadas

Matéria-Prima

Forno de Fundição

A fundição é o ponto de partida para a fabricação de todos os produtos. É lá também que se preparam as diferentes ligas de alumínio, destinadas a diferentes tipos

de produtos e aplicações.

Matéria-Prima

Alumínio líquido retirado das cubas eletrolíticas

A principal matéria-prima utilizada na fundição é o alumínio primário, vindo diretamente das salas fornos, no estado líquido, a aproximadamente 800 ºC. Ele é introduzido nos fornos de fusão, por meio de cadinhos com capacidade média de 5 toneladas. O alumínio puro recebe então a adição de outros elementos para a formação das ligas.

Tarugos

Tarugos Estocados

São produzidos pelo sistema de vazamento DC (Vazamento Vertical) com tecnologia Wagstaff Air Slip Hot Top, com tratamento de homogeneização e

resfriamento controlado.

Bobinas por Fundição Contínua (Caster)

Possuem tratamento em linha de desgaseificação, filtragem e refino do grão, resultando em um material com padrão CBA de qualidade metalúrgica e mecânica para relaminação.

Bobinas Caster aguardando transporte

Fundição Contínua - Chapas

O processo de vazamento contínuo de chapas, utiliza equipamentos baseado no processo Continuous Casting between Cylinders. A CBA possui atualmente 8 equipamentos desse tipo, sendo que dois deles, pertencem à geração dos mais modernos do mundo com capacidade média de produção de 200 toneladas/dia.

Caster

Fundição Contínua - Chapas

Equipamento para fundição contínua de chapas

Durante o processo contínuo, o metal líquido dentro do forno escoa por uma calha onde recebe adição de refinadores de grão, passa por um filtro cerâmico e um filtro de bolas para então chegar ao injetor que distribui o metal entre os cilindros. Neste contato, o alumínio líquido perde calor e solidifica na forma de chapa.

Fundição Contínua - Chapas

Equipamento para fundição contínua de chapas

Fundição Contínua - Chapas

Bobina de chapa fundida

EMBALAGENS CARTONADAS

Por suas propriedades físico-químicas, o alumínio cumpre a função de barrar fatores externos que causam deterioração, como o oxigênio, a umidade, a luz e microorganismos. Além disso, esse material é inodoro e não deixa que cheiros internos saiam e os externos ingressem. Ademais, permite fechamento hermético; é atóxico, não-absorvente e anticorrosivo.

InovaçãoA empresa Tetra Pak

Embalagens

Como exemplo, as embalagens de leite: com alumínio, chegam a durar até 6 meses, e, sem esse metal, têm validade de apenas alguns dias. Folha fina de alumínio - Produto laminado retangular em seção transversal e com espessura variando de 0,15mm a 0,006mm (seis micra).

Embalagem Tetra Pak

APLICAÇÕES AUTOMOTIVAS

Subchassi do BMW M6

Carroceria do Audi A2

Estrutura do Audi A8

Motor do BMW M6

Motor do BMW M6

( ) Alternador( ) Bomba d’água( ) Bomba da direção hidráulica( ) Compressor do ar condicionado( ) Polia do virabrequim( ) Polias tensoras( ) Correia poli-v

AB

C

D

E

F

G

Motor do BMW M6

(B) Alternador(C) Bomba d’água(D) Bomba da direção hidráulica(E) Compressor do ar condicionado(A) Polia do virabrequim(F) Polias tensoras(G) Correia poli-v

AB

C

D

E

F

G

Motor Mopar 8.4 litros V10

Motor R10 V12 TDI

Carroceria do Audi R8

Motor Mercedes-Benz SLR

Chassi do Motor Mercedes-Benz SLR

Motor Mercedes-Benz SLR

Motor do Mercedes-Benz SLR

Esquema Motor Mercedes-Benz SLR

Teste do Motor do Mercedes-Benz SLR

Suspensão Mercedes-Benz SLR

Motor BMW M3

FIM

Designação Composição % Res. Tração Alongamento Aplicações

1100 99 Al 89 MPa 25 % chapa fina

3003 1.2 Mn 117 MPa 23 % reservatório

5052 2.5 Mn 0.25 Cr 193 MPa 18 % tubos

2024 4.4 Cu 220 MPa 12 % aviões

6061 1.0 Mg 0.6 Si 152 MPa 16 % oleodutos

7075 5.6 Zn 2.5 Mg 276 MPa 10 % aviões

ENG. MECÂNICA