1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
Faculdade de Engenharia Mecânica
Curso de Graduação em Engenharia Aeronáutica
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO AERONÁUTICA
Seminario: “Magnésio e suas ligas”
Bruno Henrique da Silveira - 11111EAR001
Luiz Fernando T. Vargas - 11111EAR015
Joao Paulo Lousada - 11021EAR020
Victor Hugo Bonifácio - 11021EAR017
Victor Hugo Alves Borges - 11111EAR017
Vinicius Dias Martins - 11011EAR017
UFU
FEVEREIRO 2013
2
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO AERONÁUTICA
Seminario: “Magnésio e suas ligas”
Trabalho realizado por alunos do curso de
Graduação em Engenharia Aeronáutica da
Universidade Federal de Uberlândia,
referente à disciplina Materiais de
Construção Aeronáutica ministrada pelo
Prof. Ruham Pablo Reis, como exigência
parcial para a aprovação da mesma.
UFU
FEVEREIRO 2013
3
Sumário 1-Introdução ................................................................................................................................................ 4
2-Histórico e Propriedades do Magnésio ..................................................................................... 5
3- Extração e Produção do Magnésio........................................................................................... 11
3.1 - O processo de produção de magnésio a partir de recursos de óxido de
magnésio .................................................................................................................................................................... 17
3.2 - O processo Pidgeon - O processo de redução térmica ........................................ 18
4- Magnésio na Aeronáutica ............................................................................................................. 20
4.1 - Histórico do Magnésio na Indústria Aeronáutica .................................................. 20
4.2 - Atual situação da aplicação do magnésio na indústria aeroespacial ........... 23
4.3 - Razões para a redução da aplicação do magnésio ................................................ 24
4.4 - O futuro do magnésio na indústria aeroespacial ................................................... 25
5 - Considerações metalúrgicas do Magnésio ......................................................................... 25
6- Ligas de Magnésio ............................................................................................................................ 27
6.1 - Ligas de Magnésio Forjadas .............................................................................................. 28
6.2 - Ligas de Magnésio Fundidas ............................................................................................. 30
6.3 - Ligas fundidas de Mg–Al e Mg–Al–Zn .......................................................................... 30
6.4 - Ligas fundidas de Mg–Zn-Zr e Mg–Zn-Terra Rara-Zr .......................................... 34
6.5 - Ligas fundidas de Mg-AL-Terra Rara ........................................................................... 34
7- Fabricação do Magnésio ............................................................................................................... 35
7.1 - Conformação do Magnésio ................................................................................................ 36
7.2 – Fundição por areia do Magnésio ................................................................................... 37
7.3 - Tratamento térmico para o Magnésio ......................................................................... 40
7.4 - Usinagem do Magnésio........................................................................................................ 42
7.5 - Soldagem do Magnésio ........................................................................................................ 42
7.6 - Proteção do Magnésio contra corrosão ...................................................................... 43
8 - Conclusão ............................................................................................................................................ 45
9 - Referências Bibliográficas .......................................................................................................... 46
4
1-Introdução
Considerando a sua localização na tabela periódica dos elementos, pode-
se pensar que o magnésio desempenha papel importante como material estrutural
aeroespacial. No entanto esse metal extremamente leve está sujeito a uma série de
limitações que o torna inviável. As ligas de magnésio geralmente podem competir
com ligas de alumínio para aplicações estruturais. Comparado com ligas de
alumínio de alta resistência, ligas de magnésio não são tão fortes (força de tração
de 20-50 Ksi contra 40-80 Ksi) e têm um menor módulo de elasticidade (6.5msi
contra 10-11msi). No entanto, o magnésio é significativamente mais leve (0,063 vs
0,100 lb/ in ). E, portanto, suas ligas são competitivas em uma resistência
específica e um módulo base. [1]
As ligas de magnésio, com sua estrutura hexagonal compacta (HC), devem
normalmente ser formadas à temperaturas elevadas, enquanto que o alumínio
pode ser prontamente formado à temperatura ambiente. Além disso, as ligas de
magnésio são normalmente mais caras comparadas às ligas de alumínio. No
entanto, o maior obstáculo para a utilização das ligas de magnésio é a sua
resistência à corrosão extremamente pobre.
O Magnésio ocupa a posição anódica mais elevada na série galvânica, e,
como tal, há sempre o forte potencial de corrosão, como mostrado no exemplo da
figura 1.
Figura 1: Peça de magnésio corroída severamente. [1]
No entanto, alguma das ligas mais recentes tem uma resistência à
corrosão muito melhor do que as ligas mais antigas. Como mostrado na figura 2
alguns dos novos elementos de ligas apresentam uma resistência equivalente aos
5
alumínios fundidos. As ligas de magnésio tem muito boa capacidade de
amortecimento e fundidas têm encontrado aplicação em ambientes de alta
vibração, tais como caixas de engrenagens de helicóptero.
Figura 2: Comparação de corrosão – Ligas de fundição de Magnésio e Alumínio. [1]
2-Histórico e Propriedades do Magnésio
O Magnésio é o metal mais leve usado e produzido em escala comercial (lítio
e sódio são extremamente reativos para terem usos na forma reduzida, e o
berílio é extremamente tóxico) [2]. Embora não seja tão abundante na crosta
terrestre como o alumínio, ainda assim é o oitavo elemento mais abundante,
correspondendo a 2% em massa da composição da crosta.
Na natureza, este metal alcalino terroso nunca é encontrado na forma
metálica, somente na forma de compostos como carbonatos, silicatos, sulfatos,
cloretos, etc. Pode ser encontrado em mais de 60 minérios diferentes, sendo que
os de importância comercial são: Magnesita, Dolomita, Carnalita, Brucita, Olivina,
Talco e Serpentina. Outra importante fonte de magnésio é a água do mar, na qual
6
o magnésio é o terceiro elemento mais abundante, somente ficando atrás do cloro
e do sódio [3].
É um metal que possui diversas propriedades interessantes, sendo que a
sua baixa densidade de 1,738 g/cm³ (ainda menor que a do alumínio) se destaca
entre elas, como mostrado no gráfico 1. Na temperatura de fusão a densidade
diminui ainda mais, passando para 1,65 g/cm³.
Gráfico 1: Relação entre a densidade e resistência de metais e polímeros. [6]
Possui pontos de fusão e de ebulição relativamente baixos, alto coeficiente
de expansão térmica e módulo de elasticidade relativamente baixo, conforme
apresentado na tabela 1.
7
Tabela 1: Propriedades do magnésio. [3]
É possível analisar essas propriedades pensando-se nas vantagens e
desvantagens do magnésio como um material estrutural [4].
Entre as vantagens pode-se citar: (1) baixa densidade, (2) excelentes
características amortecedoras, (3) elevada resistência à fadiga, (4) ser
paramagnético (não magnetizável) e (5) não dar origem a faíscas [4].
As principais desvantagens são: (1) módulo de elasticidade relativamente
baixo (gráfico 2), (2) alto coeficiente de expansão térmica, (3) relativa
resistência à corrosão, (4) emprego impraticável acima de 200°C e (5)
susceptibilidade à corrosão sob tensão [4].
8
Gráfico 2: Relação entre a densidade e o módulo de elasticidade para metais e
polímeros.[6]
Pode-se analisar, portanto, que como um material de engenharia, o
magnésio puro, assim como a maioria dos outros metais, não possui muitas
aplicações [2; 4]. É preciso se recorrer a ligas para melhorar as propriedades do
metal. A adição de determinados elementos ao magnésio permite um aumento da
resistência mecânica e da resistência à corrosão, além de facilitar sua produção. O
magnésio forma liga com a maior parte dos metais comuns, sendo que as mais
importantes comercialmente são com alumínio, zinco e manganês [2].
A evolução histórica do magnésio em sua forma metálica está
intimamente ligada às duas guerras mundiais. O magnésio foi isolado em 1808 por
Sir Humphry Davy, em 1828 o cientista francês Bussy reduziu cloreto de magnésio
anidro com potássio; em 1833 Faraday realizou a primeira eletrólise de cloreto de
magnésio fundido para produção de magnésio metálico. A obtenção do magnésio
era cara, o que dificultava sua produção em larga escala.
9
No entanto, a Alemanha já se destacava como um país produtor do metal
(para fins bélicos e pirotécnicos), que inclusive era conhecido por “the German
metal” [5].
A demanda ocasionada em função da primeira guerra levou mais países a
investirem na produção do magnésio, mesmo esta sendo cara. O metal era usado
para produção de sinalizadores, partes de avião, balas, etc [5].
Entre as duas grandes guerras, surgiram diversos usos comerciais para o
magnésio, tais como uso em automóveis, navios, como reagente para flash de
máquinas fotográficas, entre outros. Além disso, a busca por poder bélico,
principalmente por parte da Alemanha, aquecia ainda mais o mercado de
magnésio, permitindo a abertura e o desenvolvimento de indústrias produtoras de
magnésio por toda a Europa e nos Estados Unidos [5].
A segunda guerra mundial levou a um grande aumento da demanda e da
produção do magnésio (chegando a um pico de 288 mil ton/ano em 1944), de
forma que os preços caíram significativamente. Nessa época o metal foi muito
usado de maneira estrutural, tendo grande aplicação no setor aeroespacial, devido
à sua baixa densidade [5].
Com o fim da segunda guerra houve uma grande queda na produção de
magnésio, como pode ser observado na Figura 2. Demorou por volta de 50 anos
para que o metal fosse novamente produzido em tanta quantidade quanto na
década de 40, sendo que o mesmo nível de produtividade só foi atingido em 1992.
Nesse intervalo houve algumas fracas tentativas de se inserir o magnésio no
mercado, como, por exemplo, no Fusca da Volkswagen e como material para
alimentos enlatados na estação nuclear Calder Hall [5].
10
Tabela 2: Quantidade de magnésio produzida entre 1937-1958. [2]
Desde 1993 houve um renovado interesse no uso de ligas de magnésio,
tanto para o setor automobilístico, quanto para os setores doméstico e esportivo,
devido ao fato deste ser um metal extremamente leve [5]. Um grande campo de
aplicação para o magnésio e suas ligas atualmente é o de aparelhos eletrônicos.
Devido ao seu baixo peso e às suas boas propriedades mecânicas e elétricas, o
metal é usado para a fabricação de celulares, laptops, câmeras e outros
componentes eletrônicos [3].
Alguns outros usos para o magnésio e suas ligas atualmente são:
• Como reagente para a produção de flash de máquinas fotográficas, em
sinalizadores, fogos de artificio e em artefatos pirotécnicos. – Devido a sua
inflamabilidade e produção de uma luz branca, intensa e brilhante ao queimar.
• Na forma de fitas, na preparação da reagente de Grignard, útil na síntese
de compostos orgânicos.
• Como aditivo para a produção de ferro fundido nodular, auxiliando na
esferoidização da grafita.
• Na produção de aço, funcionando como elemento dessulfurante.
• Como agente redutor para a produção de urânio e outros metais a partir
de seus sais.
11
• Como anodo (galvânico) de sacrifício para a proteção de tanques, tubos
e outras estruturas subterrâneas e também em aquecedores de água.
• Em ligas de alumínio com magnésio para fundição, com diversos usos
possíveis, em geral conferindo um aumento na dureza e na resistência à corrosão
[3].
3- Extração e Produção do Magnésio
O magnésio é o sexto elemento mais abundante na crusta terrestre (2,5%
da sua composição), contudo a sua alta reatividade significa que não é encontrado
no seu estado metálico na natureza. A água do mar contém 0,13% de magnésio
sendo este extraído para produção de magnésio metálico. Outras fontes comerciais
são a dolomita ((CaMg)CO3), Magnesita (MgCO3), carnalite (KCl.MgCl2.6H2O),
silicato de magnésio (talco) .
Figura 3: Imagens da dolomita, carnalite e Magnesita respectivamente. [7]
A dolomita é um carbonato difundido, disponível em todos os continentes
e é o principal minério de Magnésio usado na China. A Magnesita tem um maior
teor de Mg que a dolomita (Figura 6), no entanto, seus depósitos estão
geograficamente restritos. [8]
12
Gráfico 3: Concentração de Magnésio nas suas principais matérias prima. [8]
A maior parte da atual produção mundial de Magnesita provém da China,
Coréia do Norte, Rússia e Turquia. Juntos estes quatro países responderam por
67,12% da produção mundial deste insumo mineral no ano de 2005. A Tabela a
seguir mostra a produção e as reservas mundiais conhecidas de Magnesita. [9]
Fontes, a partir das quais compostos de magnésio podem ser
recuperados, variam de grandes a virtualmente ilimitadas e são distribuídas
globalmente. Jazidas identificadas de Magnesita totalizam 12 bilhões de toneladas.
Fontes de brucita, dolomita, forsterita e evaporitos contendo magnésio são
enormes estima-se que salmouras contendo magnésio constituam uma fonte de
bilhões de toneladas. Com o aumento do custo dos combustíveis, há uma distinta
vantagem, no entanto, na conversão de Magnesita natural em MgO, ao invés de se
produzir magnésia a partir da água do mar ou salmouras. [9]
13
Tabela 3: Produção mundial de Magnesita, reservas e reserva base. [9]
O maior depósito de Magnesita da China está localizado a
aproximadamente 65 km ao sul/sudeste da cidade metalúrgica de Anshan, na
província de Liaoning, um distrito da antiga Manchúria. Os depósitos da Rússia
estão localizados no sul dos montes Urais e no leste da Sibéria, nas montanhas
Savan. A Coréia do Norte tem suas reservas principais na província de Kankyo. A
Turquia tem seus principais depósitos de Magnesita cristalina na região do Mar
Negro, além de importantes reservas de Magnesita criptocristalina nas regiões de
Eskisehir e Kutaya. Na Grécia é em Vavdos, península de Khalkidiki, na
Thessalonika, que se localizam os depósitos de Magnesita criptocristalina. Os mais
importantes depósitos da Áustria estão localizados em Semmering, Veitsch,
Breitenau Trieben, Radentheim e Dientin. A Espanha tem, na província de Navarra,
próximo da fronteira com a França, os seus principais depósitos. A Índia tem seus
depósitos maiores em Salem, um distrito do estado de Madras e no distrito de
Almora, em Uttar Pradesh. Em Kosice, Jelsava e Lobinobana estão as principais
reservas da Eslováquia. A Austrália tem depósitos de magnesita criptocristalina em
Kunwarara emQueensland, Fifield e Young em New South Wales e Ravensthorpe
em Western Australia.[9]
14
O Brasil tem a totalidade de suas grandes reservas de Magnesita
conhecidas até o momento, concentradas no nordeste do país, mais
especificamente nos estados da Bahia e Ceará (Bodenlos, 1950, 1954). A Tabela 4
mostra dados sobre as reservas brasileiras.
Tabela 4: Reservas de Magnesita do Brasil.
Como se verifica na Tabela 4 no município de Brumado-BA, na Serra das
Éguas, estão as maiores reservas conhecidas no Brasil deste bem mineral, até o
presente. Ali também estão as mais produtivas minas conhecidas em nosso País.
Embora essas ocorrências sejam conhecidas desde as últimas décadas do
século 19, a efetiva produção das minas só começou em 1945 através da empresa
Magnesita S.A. Tambémo município de Santo Sé-BA possui reservas consideráveis
de minérios de Magnesita. [9]
A Figura 4 ilustra a distribuição dos depósitos de Magnesita em todo o
mundo, conhecidos até 1986. Faz-se uma tentativa de mostrar, também, o tamanho
das reservas e, ainda, o tipo do depósito.
15
Figura 4: Localização de depósitos de Magnesita no mundo.
Relação dos depósitos assinalados na Figura 4:
Américas do Sul e Central: 1 = Brumado, Serra das Éguas, Brasil, 2 =
Iguatu, Brazil, 3 = Alto Chapare, Bolívia, 4 = Isla Margarita, Venezuela, 5 =
Guatemala, 6 = Sta. Margarita Island, México.
América do Norte: 7 = Coast Ranges, Calif., 8 = Kern County, Nev., 9 =
Gabbs, Nev., 10 = Stevens C ounty, Wash., 11 = Marysville, B.C., 12 = Radium Hot
Springs, B.C., 13 = Deloro, Ont., 14 = Kilmar, Que., 15 = Cape Breton Island, New
Scotland, 16 = Maryland, USA.
Europe: 17 = Shetlands, UK, 18 = Snarum, Noruega, 19 = Trondheim,
Noruega, 20 = Norbotten, Suécia, 21 = Pacios, Espanha, 22 = Eugui, Espanha e
Pirineus, 23 = Ortler, Itália, 24 = Graywacke Zone, Áustria, 25 = Kraubath, Áustria,
26 = Eslováquia, 27 = Bela Stena, Sérvia, 28 = Sérvia, 29 = Servia Basin, Grécia, 30 =
Vavdos, 31 = Euboea, Grécia, 32 = Elba, 33 = Ural, Rússia.
16
Ásia: 34 = Achin., Afeganistão, 35 = Kumaun, Himalaia, India, 36 =
Kharidunga, Nepal, 37 = Ust Kara, Mongolia, 38 = Shandung, China e Khingan, Lioa
Tung, Manchuria, 39 = Yongyang e Namgye, Coréia do Norte, 40 = Mysore, 41 =
Salem, India, 42 = Bozkurt, 43 = Eskisehir, Turquia.
Austrália: 44 = Huandot, N.T., 45 = Lawlers, 46 = Bulong, 47 =
Ravensthorpe, W.A., 48 = Balcanoona, 49 = Copley, 50 = Eyre Peninsula, 51 =
Coorong Lagoon, S.A., 52 = Arthur e Savage River, Tasmania, 53 = Heathcote, Vic.,
54 = Thuddrunga, N.S.W., 55 = Mt. Redcliffe, Qld., 56 = Nova Caledônia.
África: 57 = Beni Bousera, Marrocos, 58 = Eastern Desert, Egito, 59 = Sol
Hamid, Sudão, 60 = Lake Natron, Tanzania, 61 = Mtito Andei, Kenia, 62 = Pare Mts.,
Tanzania, 63 =Bié, Angola, 64 = Barton Farm, Zimbabwe, 65 = Barbeton, África do
Sul, 66= J. Rokham, Arábia Saudita, 67 = Sabkhas de Abu Dhabi.
Ao longo do período 1988-2000, os preços dos produtos da Magnesita
apresentaram um forte declínio, tanto no mercado interno quanto no externo,
fruto do excesso de oferta em relação à demanda.
Gráfico 4: Evolução dos Preços de Magnesita 1988 – 2000. [10]
17
Existem dois caminhos principais de processos utilizados para a produção
do metal de magnésio. O primeiro processo recupera cloreto de magnésio a partir
de matérias-primas e converte-a em metal através da eletrólise de sal fundido. O
segundo tipo de processo envolve a redução de óxido de magnésio com o ferro-
silício ou de alumínio, a temperaturas elevadas. Os exemplos dos dois tipos de
processos estão descritos a seguir.
O magnésio também pode ser recuperado e produzido a partir de uma
variedade de magnésio contendo matérias primas secundárias.
3.1 - O processo de produção de magnésio a partir de recursos de óxido de
magnésio
O processo permite a produção de magnésio a partir de matérias-primas
dos óxidos: Magnesita, brusite, serpentina e outros. Também é adequado para a
produção de magnésio a partir de matérias-primas, que contém sulfato de
magnésio ou a sua mistura com os cloretos, incluindo água do mar. Em todos os
casos, o cloro produzido pela electrólise é reciclado e usado para a conversão de
óxido de magnésio ou sulfato de sódio e cloreto de magnésio. .
O processo consiste nas etapas seguintes:
- A lixiviação da matéria-prima por ácido clorídrico e a purificação da solução
produzida,
- Separação do produto de cloreto de magnésio na forma de carnalite sintético ou
uma mistura de cloretos de a referida solução,
- Desidratação do referido produto no leito fluidizado pelo fluxo de gases quentes,
que contém cloreto de hidrogénio, com uma produção de produto desidratado
sólido, que não contenha mais de 0,3 wt% de óxido de magnésio e água, cada um,
- Alimentação do referido produto em eletrolisadores ou unidade chefe da linha de
fluxo e sua eletrólise com produção de magnésio e cloro. [11]
18
O cloro produzido pela electrólise é alimentado pelos fornos queimadores
de leito fluidizado (FB), onde é convertido em cloreto de hidrogénio. Os gases
residuais de fornos de FB, contendo HCl, são tratados pela água para produzir
ácido clorídrico que é usado para a lixiviação da matéria-prima, ou neutralizado
por suspensão aquosa de óxido de magnésio para produzir uma solução de cloreto
de magnésio.
O eletrólito esgotado formado no decurso da eletrólise é utilizado para a
produção de carnalite sintético. Todos os produtos residuais que contêm cloro são
utilizados com a produção de óxidos neutros. É uma vantagem importante do
processo do ponto de vista ambiental. [11]
Figura 5: Diagrama de fluxo do processo de produção de magnésio a partir de recursos de
óxido de magnésio. [11]
3.2 - O processo Pidgeon - O processo de redução térmica
No Processo de Pidgeon, o magnésio é produzido a partir de dolomite
calcinada sob vácuo e a temperaturas elevadas, utilizando silício como agente
redutor. No processo, a dolomite finalmente triturada (de magnésio / cálcio) de
carbonato é alimentada a fornos rotativos onde é calcinada e o dióxido de carbono
é retirado deixando como produto a dolomite calcinada. A dolomite calcinada é em
19
seguida pulverizada num moinho de rolos antes de se misturar com o ferro-silício
finamente moído e fluorite. A dolomite calcinada fina, ferro-silício, e fluorita são
pesados em lotes e misturados em um misturador rotativo. Esta mistura é então
briquetada em prensas de briquetagem.
Briquetes são então transmitidas para os fornos de redução. A operação
de redução é um processo em lotes que liberam o magnésio em forma de vapor,
que se condensa na secão de refrigeração à água do lado de fora da retorta parede
do forno. Após a remoção do forno, o magnésio "coroa" é pressionado a partir da
manga de uma prensa hidráulica. [11]
Figura 6: Gráfico fluxo de processo - Usina de magnésio Timminco.[11]
O resíduo a partir da carga de redução é removido da retorta e enviado
para um aterro de resíduos.
20
4- Magnésio na Aeronáutica
A redução de peso sempre foi um dos importantes objetivos na indústria
aeronáutica. O alumínio é um tradicional metal leve utilizado nas estruturas
aeronáuticas. Suas ligas utilizadas atualmente são otimizadas para seguirem os
requisitos do setor aeroespacial, como por exemplo, resistência à fadiga.
Entretanto, alcançar uma maior redução de peso tem sido difícil quando se trata
das tecnologias envolvendo o alumínio.
Uma alternativa para o uso do alumínio, buscando a redução de peso, tem
sido o uso do magnésio e suas ligas. O magnésio é o metal estrutural mais leve
encontrado na Terra. Em termos de densidade, se trata de não mais que 1,8 gramas
por centímetro cúbico, enquanto o alumínio possui 2,7 gramas e o ferro 7,9
gramas. Logo, o magnésio torna-se uma boa alternativa para a construção de
estruturas aeronáuticas que necessitam ser leves e resistentes.
4.1 - Histórico do Magnésio na Indústria Aeronáutica
O magnésio era utilizado geralmente como o metal de construção
aeronáutica. Historicamente, o magnésio tem sido usado desde as décadas de 30 e
40. Nos anos 50, o seu uso foi intensificado, quando passou a ser amplamente
utilizado em estruturas de aeronaves e seus componentes.
Uma grande quantidade de aviões militares e helicópteros que foram
construídos naquele período utilizaram centenas de quilogramas de magnésio na
sua construção. As figuras abaixo mostram exemplos de aeronaves e quantidades
utilizadas de magnésio:
21
Figura 7 - Sikorsky S-56, Westland Aircraft ltd. (1950): 115kg de magnésio [12]
Figura 8 - Lockheed F-80C: completa construção em magnésio [12]
No entanto, o real triunfo do magnésio na indústria aeronáutica ocidental
foi o Convair B-36 Peacemaker composto por 8600 kg de magnésio.
22
Figura 9 - Convair B-36 Peacemaker, total de 8600 Kg de magnésio: 5555 kg de folha de magnésio. 700 kg de forjamento. [12]
A indústria aeroespacial da ex-União Soviética também utilizava
amplamente o magnésio em suas aeronaves militares. A figura abaixo exemplifica
tal fato:
Figura 10 - TU-95MS: 1550 kg de magnésio [12]
23
A diferença significativa da aplicação do magnésio entre a ex-União
Soviética e os países ocidentais estava na quantidade relativamente grande de
componentes de magnésio nas aeronaves civis soviéticas. Por exemplo, enquanto o
Boeing 737 (inicio da fabricação em 1967) teve apenas alguns componentes de
magnésio nas estruturas da asa e da porta, a aeronave Tupolev TU-134 (inicio da
produção em 1963) teve 1.325 componentes de magnésio com um total de 780 kg.
Figura 11 – Localização dos componentes de magnésio (em vermelho) no TU-134
[12]
4.2 - Atual situação da aplicação do magnésio na indústria aeroespacial
A quantidade de magnésio nas aeronaves da ex-União Soviética teve uma
redução no início de 1990. Passou-se a utilizar apenas algumas dezenas de quilos
de magnésio nas aeronaves.
Figura 12 – Tendência da aplicação do magnésio nas aeronaves Tupolev. [12]
24
Em relação à indústria aeroespacial ocidental, até os momentos atuais o
magnésio não tem sido usado em aplicações estruturais de grandes fabricantes,
tais como Airbus, Boeing e Embraer.
A situação é diferente para a indústria de helicópteros, em que o magnésio é
utilizado em caixas de transmissão e em outros elementos não estruturais.
4.3 - Razões para a redução da aplicação do magnésio
Existe uma grande discussão sobre a redução do uso do magnésio. A
justificativa para a restrição de sua aplicação foi causada pela sua inflamabilidade.
Entretanto, nunca houve precedentes de acidentes causados pela ignição do
magnésio, nem estudos que comprovassem que a sua aplicação poderia reduzir a
segurança dos passageiros contra incêndios; ele atende a todos os requisitos
padrões aeroespaciais para a resistência à inflamabilidade.
A principal razão para a redução de sua aplicação no ramo aeroespacial está
na corrosão das ligas de magnésio. Geralmente, a maioria das ligas de magnésio
possui maior taxa de corrosão comparando-se com as ligas de alumínio.
As deficiências de obtenção de ligas altamente puras e o baixo desempenho
de tratamentos superficiais resultou em um maior nível de corrosão dos
componentes aeroespaciais feitos de magnésio em relação aos de alumínio.
Entretanto, esta situação está mudando devido às melhorias na tecnologia
de produção de magnésio e também ao surgimento de melhores tecnologias de
tratamento superficial.
Outro motivo para a rejeição do uso do magnésio é a falta de alta resistência
em suas ligas para aplicações estruturais. Porém, a Magnesium Elektron Ltd. (UK)
desenvolveu novas ligas de alta resistência (Elektron 21 e Elektron 675) que
possuem propriedades mecânicas comparáveis com as ligas de alumínio
estruturais.
Com o desenvolvimento de novas tecnologias (como as citadas acima),
solucionando assim as desvantagens encontradas no uso do magnésio, aliado com
a necessidade de leveza estrutural e a insatisfação com o uso de materiais
compostos, o magnésio vêm sendo cogitado a ser novamente utilizado na indústria
aeroespacial.
25
4.4 - O futuro do magnésio na indústria aeroespacial
Diversos projetos estão em andamento buscando melhorias efetivas nas
tecnologias relacionadas ao magnésio e suas ligas. Pode-se ter como meta o uso de
15% a 20% de magnésio nas aeronaves civis entre 2015 a 2020. Um dos usos
desejados do magnésio é no interior das aeronaves, mais precisamente na
estrutura dos assentos.
Para alcançar tais objetivos é preciso focar as pesquisas em novas ligas de
magnésio de alta-resistência, tratamentos de superfície avançados e entender
corretamente os perigos existentes devido à inflamabilidade do magnésio.
5 - Considerações metalúrgicas do Magnésio
O magnésio puro tem um ponto de fusão de F e uma estrutura
cristalina hexagonal compacta (HC).
Uma vez que a estrutura cristalina HC restringe o deslizamento dos planos
base, o magnésio é difícil de se deformar plasticamente à temperatura ambiente,
isto é, a taxa de trabalho para o endurecimento à temperatura ambiente é elevada
e a ductilidade é baixa. À temperaturas elevadas, os planos de deslizamento tornar-
se operativo para outras ligas de magnésio que são normalmente formadas a
temperaturas superiores a F, geralmente na faixa de F .
Outra conseqüência da estrutura HC é a anisotropia de propriedades
mecânicas (ou direcionalidade) na folha de laminado a frio, devido à sua textura
cristalográfica. Por exemplo, o limite de elasticidade em compressão de produtos
forjados é apenas cerca 40-70% do que o limite de tração. Devido à dificuldade de
conformação das ligas de magnésio a frio, peças fundidas prevalecem em relação a
produtos forjados. [1]
Uma consequência do seu ponto de fusão bastante baixo é a sua
suscetibilidade a fluência em temperaturas moderadamente elevadas. No entanto,
as ligas têm sido desenvolvidas com uma melhora na resistência à fluência.
O Alumínio e o zinco proporcionam um endurecimento por solução sólida.
A adição de alumínio além de proporcionar melhor resistência e dureza, amplia as
possibilidades de congelamento e torna a liga mais fácil de moldar. O alumínio em
quantidades superiores a 6% promove um endurecimento por precipitação.
26
O zinco é o segundo elemento de liga mais importante. Este ajuda a refinar o
precipitado em alumínio contendo ligas. O zinco pode também ser utilizado em
combinação com o zircónio, terras raras (RE), ou de tório para produzir ligas de
endurecimento por precipitação. Prata também melhora a resposta ao
endurecimento por precipitação. Zircônio é utilizado em ligas de fundição para o
refino de grãos.
O poderoso efeito de refinamento de grão do zircónio é mostrado na figura
7. No entanto, o zircónio não é usado em ligas que contenham alumínio, pois forma
compostos quebradiços.
Figura 13: Refinamento de grão na presença de Zircônio. [1]
Adições de manganês melhoram a resistência à corrosão em água do mar
através da remoção de ferro em solução. O Silício aumenta a fluidez para a
fundição de ligas, mas diminui a resistência à corrosão de ferro, se estiver
presente. Tório e ítrio melhoraram a resistência à deformação, no entanto, o uso de
tório, o que é ligeiramente radioativo, diminuiu, devido a crescentes regulamentos
sobre a sua utilização. [1]
Embora muito menos solúvel do que o alumínio e o zinco, os elementos RE
são potentes endurecedores por solução sólida. As terras raras são normalmente
adicionadas como misturas naturais para os mischmetal ou como didímio. O
27
Mischmetal contém cerca de 50% de cério sendo o restante principalmente
formado por lantânio e neodímio, enquanto didímio contém aproximadamente
85% de neodímio e 15% de praseodímio. Os elementos de impureza ferro, níquel,
cobre devem estar em níveis baixos para minimizar a corrosão. As ligas de
magnésio são produzidas em ambas as condições forjadas e fundidas.
Algumas ligas são fortalecidas por trabalho a frio, enquanto outros podem
ser endurecidos por precipitação através de um tratamento térmico. As ligas em si
podem ser divididas em duas grandes classes: as que contêm 2-10% de alumínio
com as adições de zinco e manganês, e as que contêm zinco com adições de metais
terras raras, tório de prata, e de zircónio para aumentar a resistência, a resistência
à fluência e o refinamento de grão. As propriedades de tração das ligas de
magnésio geralmente variam entre 10 e 50ksi de limite de resistência e 20-55 Ksi
de limite de tração com alongamentos de 1-15%. [1]
6- Ligas de Magnésio
As ligas de magnésio são designadas por uma combinação de letras e
números. As duas primeiras letras indicam os dois principais elementos de liga na
liga, enquanto os dois números seguintes fornecem os valores aproximados do
primeiro e do segundo elementos de liga, respectivamente. Por exemplo, a liga
contém AZ91 cerca de 9% de alumínio e de zinco a 1%. Há também uma carta na
qual se segue a designação de liga de base, A é a composição original, B é a segunda
modificação, C é a terceira modificação, D indica uma versão de alta pureza, e
E é uma composição resistente à corrosão. No nosso exemplo, AZ91C indicaria
a terceira modificação para AZ91. O sistema de designação da liga de magnésio é
mostrado na Tabela 5 e a composição de uma série de ligas de magnésio são
apresentados na Tabela 6. [1]
As denominações para o tratamento a quente da têmpera para ligas de
magnésio são os mesmos que para as ligas de alumínio (figura 8). Este sistema de
designação é novamente mostrado na Tabela 7, no entanto, uma vez que a maioria
das aplicações aeroespaciais usam ligas de magnésio fundido, as têmperas mais
28
predominantes são a temperas T4, T5 e T6. As propriedades de tensão típicas de
para um certo número de ligas forjadas e fundidas são dados na Tabela 8.
6.1 - Ligas de Magnésio Forjadas
As ligas de magnésio forjado estão disponíveis como barras, tarugos, chapas
e placas. A principal liga de folha e de placa é a AZ31. Sendo a liga AZ31 reforçada
por uma combinação de reforço por solução sólida, controle do tamanho de grão e
trabalho a frio, ela não é uma candidata para aplicações aeroespaciais estruturais
devido à possibilidade de amolecimento (isto é, solubilização), à temperatura
elevada. A Liga AZ31 está disponível para vários tipos de têmperas, mas todas são
limitadas a cerca de 200ºF.
Para as aplicações à temperaturas mais altas, as ligas contendo tório HK31 e
HM21 estão disponíveis. Para máxia resistência à fluência, a liga HK31 requer um
tratamento térmico T6, enquanto a liga HM21 é trabalhada a frio antes do
envelhecimento (Tratamento T8). Além disso, devido à estrutura de HC, todas os
trabalhos de forjamento devem ser feitos à uma temperatura elevada. [1]
Tabela 5: ASTM Designações para as ligas de Magnésio. [1]
29
Para extrusões, uma das ligas de Al-Zn que são frequentemente escolhidas
são as AZ31, AZ61 ou AZ80. Certo número de ligas, tais como AZ80 e ZK60,
respondem ao endurecimento por precipitação. Uma vez que o processo de
extrusão é realizado aproximadamente a temperatura da solução de tratamento a
quente e a extrusão arrefece muito rapidamente ao ar, com isso é necessário
apenas o envelhecimento destas ligas para produzir o tratamento T5. Por exemplo,
ZK60, na condição T5, é frequentemente especificada com uma força de tenacidade
mais elevada. Outras ligas de elevada resistência a extrusão incluem ZK61 e
ZCM711. [1]
Para aplicações de alta temperatura, as ligas HK31 e HM21 podem
ser especificadas. Um fator importante na extrusão é a simetria, de preferência em
torno de ambos os eixos. A relação entre largura e espessura ótima para extrusões
de magnésio é normalmente inferior a 20.
Ligas de forjamento incluem AZ31, AZ61, AZ80, e ZK60.
AZ31 pode ser forjado à martelo enquanto os outros são geralmente forjados por
pressão. As ligas de magnésio são aquecidas a 650-950 ºF para forjar.
A liga ZK60 tem uma forjabilidade ligeiramente melhor do que as outras ligas.
Embora as peças forjadas possuam uma grande variedade de formas, as de
magnésio, são especificadas por causa da sua resistência à pressão, a usinabilidade
e falta de arqueamento não ultrapassar a sua força de resistência. [1]
Devido à anisotropia ou textura, produzida por um trabalho mecânico, a
força de resistência à compressão das ligas de magnésio forjado podem ser
sensivelmente inferiores ao limite de resistência à tração. A resistência à
deformação por compressão varia entre cerca de 0,4 a 0,7 do limite de elasticidade
por tensão. Uma vez que peças fundidas não desenvolvem textura, para ligas
fundidas o limite de elasticidade de compressão é aproximadamente igual à
resistência à deformação à tração. [1]
30
Tabela 6: Composições nominais para algumas ligas de magnésio. [1]
6.2 - Ligas de Magnésio Fundidas
As ligas de magnésio fundido são usadas em aplicações estruturais
aeroespaciais secundárias devido ao seu baixo peso e boas características de
amortecimento. No entanto, uma vez que as ligas de magnésio estão sujeitas à
corrosão galvânica, tratamentos de superfície e revestimentos apropriados devem
ser utilizados para evitar a corrosão. Evoluções na composição química também
ajudaram significativamente a reduzir o seu potencial de corrosão. [1]
6.3 - Ligas fundidas de Mg–Al e Mg–Al–Zn
O magnésio forma liga com o alumínio para aumentar a força, fundibilidade,
e resistência à corrosão. Uma vez que o alumínio tem uma solubilidade máxima em
sólidos de 12,7% de magnésio a , diminuindo para cerca de 2%, à
temperatura ambiente, à primeira vista isso reforçaria a liga por endurecimento
por precipitação. No entanto, os precipitados resultantes são bastante grosseiros e
31
causam o endurecimento apenas moderado. Quando o zinco é adicionado à
composição, refina-se o precipitado e aumenta a força por uma combinação de
reforço por solução sólida e endurecimento por precipitação, como pode ser visto
na figura 9. [1]
Figura 14: Designações para as temperas das ligas de magnésio. [1]
32
Figura 15: Representação das propriedades típicas para as ligas de magnésio. [1]
Mesmo assim, o grau de reforço é mínimo comparado com o alcançado
pelas ligas de alumínio que são tratadas termicamente. Com uma resistência à
tração na faixa de 31-35 Ksi e alongamentos de 1-8%, as ligas de Mg-Al-Zn não são
particularmente fortes ou dúcteis mas têm baixas densidades e são fáceis de
moldar. [1]
33
Figura 16: Curvas de envelhecimento para a liga Mg-9%Al com adições de Zn. [1]
As ligas Mg-Al-Zn ficaram mais resistentes à corrosão quando foram
desenvolvidas em meados dos anos 1980, usando maior matérias-primas mais
puras e limitando as quantidades de ferro( < 0,005%) , níquel (< 0, 001%) e cobre
(0, 015%). Os baixos níveis de níquel e cobre são controlados pela pureza dos
materiais de partida, enquanto que os baixos níveis de ferro são controlados com
adições de . Por exemplo, a liga de alta pureza AZ91E, devido ao seu menor
teor de ferro, melhorou a resistência à corrosão em comparação com a liga
anteriormente de AZ91C. As ligas de magnésio são limitadas a um nível total de
alumínio e de zinco inferior a 10%; à níveis mais altos, a ductilidade é
drasticamente reduzida devido à formação de compostos intermetálicos. Assim, se
o teor de zinco da liga Mg-Al-Zn é aumentado para 3%, o teor de alumínio deve ser
reduzido para cerca de 6%, como na AZ63. No entanto, com o aumento de
conteúdo de zinco nas ligas de Mg-Al-Zn, há um aumento da microporosidade e um
encolhimento. As ligas de Mg-Al e Mg-Al-Zn são de uso limitado a temperaturas de
cerca . [1]
34
6.4 - Ligas fundidas de Mg–Zn-Zr e Mg–Zn-Terra Rara-Zr
Ligas, tais como ZK51 e ZK61, foram desenvolvidas como ligas de fundição
por areia através da combinação de zinco de 5-6% para o aumento da força e cerca
de 0,7% de zircónio para refinamento de grão. Embora estas sejam ligas com
resistência relativamente elevada, não são amplamente utilizadas devido à sua
susceptibilidade à microporosidade durante a fundição, e não podem ser
reparadas por solda devido ao seu alto conteúdo de zinco. Adições de terras raras
nas ligas Mg-Zn-Zr melhoram sua fundição e a fluidez, devido à formação de
eutéticos de baixo ponto de fusão que se desenvolvem nos contornos de grão
durante a solidificação, o que tende a suprimir a microporosidade e fissuração a
quente, enquanto melhora a força e a resistência à fluência. [1]
No entanto, a temperatura ambiente a força de tensão para EZ33-T5 é 20
Ksi e para ZE41-T5 é de 29 ksi, que são relativamente baixas devido à remoção do
zinco da solução sólida para formar as fases Mg-Zn-RE nas fronteiras de grão. Em
níveis baixos de estresse, essas ligas têm resistência à fluência respeitável até
.
6.5 - Ligas fundidas de Mg-AL-Terra Rara
A adição de 2,5% de prata e 2,5% de terras raras produz um endurecimento
por precipitação aliado com boas propriedades de tensão de até na liga
QE22, a qual tem resistência à tração de 35 Ksi no estado T6. Ligas fundidas com
cerca de 4-5% de ítrio também têm sido desenvolvidas, por terem boas
propriedades a temperaturas elevasdas. Por exemplo, a liga WE43 tem a
temperatura ambiente uma resistencia a tração de 36 ksi quando tratada a calor
para o estado T6. [1]
Esta liga mantém uma resistência à tração de 36 ksi após um longo período
de envelhecimento (5000 h) a . O efeito da exposição a sobre a força
da liga WE43 é mostrado na figura 11. Uma liga relativamente nova, a Elektron 21,
conforme especificado no AMS 4429, com dados de projeto disponíveis na
Normalização, Propriedades e Desenvolvimento de Materiais Metálicos (MMPDS),
oferece muitas das vantagens do WE43, no entanto, o seu custo é menor e a sua
fusibilidade é melhor. Em vez de usar o ítrio, neodímio e gadolínio são usados o
zinco juntamente com o zircônio.
35
Figura 17: Efeito de um envelhecimento a nas propriedades de tração da
liga WE43A-T6. Fonte: O magnésio Electron, Ltd. [1]
7- Fabricação do Magnésio
O Magnésio metálico pode ser produzido por vários processos de
metalurgia extrativa, no entanto, o processo mais amplamente utilizado envolve a
precipitação de magnésio na dolomite [ e precipitação da água do
mar na forma insolúvel de hidróxido de magnésio insolúvel , que é
então tratado com ácido clorídrico para produzir cloreto de magnésio. O é
alimentado em células electrolíticas onde a eletricidade é usada para convertê-lo
em magnésio metálico e cloro gasoso. [1]
36
7.1 - Conformação do Magnésio
Ligas de magnésio forjadas, como outras ligas com a estrutura de HC, são
muito mais conformáveis a temperaturas elevadas do que à temperatura ambiente.
As ligas forjadas são geralmente formadas a temperaturas elevadas; enquanto a
temperatura ambiente é utilizada apenas para ligeiras deformações em torno de
raios generosos. Raios de curvatura mínimos para a formação de folhas recozidas à
temperatura ambiente, são 5-10T, 10T-20T para as folha endurecidas a frio, onde T
é a espessura da chapa. [1]
Formar ligas de magnésio a temperaturas elevadas apresenta várias
vantagens: (1) As operações de formação podem ser geralmente realizadas num
único passo, sem a necessidade de hibridizacão intermediária; (2) as peças podem
ser feitas com tolerâncias mais estreitas com menos retorno elástico; e (3) moldes
de aço endurecido não são necessárias para a maioria das operações de moldagem.
A formabilidade para a folha da liga de magnésio é indicada pela sua
capacidade de resistir à flexão ao longo de um mandril de sem rachaduras. A
moldabilidade depende da composição, do temperamento, espessura do material e
temperatura de formação. Com temperaturas e parâmetros de formação corretos,
todas as ligas de folha de magnésio podem ser profundamente atraídas para as
mesmas reduções. [1]
Uma vez que o magnésio é um metal bastante suave, tanto as suas partes
quanto as ferramentas de formação devem estar limpas e livres de riscos, e um
lubrificante de moldagem, tal como a grafite coloidal, deve ser utilizado. Em
operações de moldagem mais quentes, tanto a folha e as ferramentas são
aquecidas. Métodos de aquecimento aceitáveis incluem aquecedores de cartucho
elétricos embutidos em matrizes, com aquecimento radiante, gás, infravermelho e
fluidos de transferência de calor. A lubrificação é mais importante na formação por
conformação do que a frio, porque a tendência para a formação escoriações
aumenta com o aumento da temperatura. [1]
Nas operações de conformação severas, é preferível a utilização de peças
recozidas. As folhas parcialmente endurecidas por têmpera, tal como H24, podem
ser formados em extensões consideráveis, mas com o passar to tempo a
temperatura causará amolecimento e uma redução das propriedades da liga.
37
Também deve ser observado que o tempo e a temperatura são cumutativos se
múltiplas operações de conformação estão envolvidas. A folha de AZ31-H24 é
normalmente formada a temperaturas inferiores a , para evitar excesso de
recozimento e propriedades inferiores às desejadas.
Para a estampagem, ligas de magnésio podem ser estampatas à frio para
uma redução máxima de 15-25% na condição recozida. A capacidade de
estiramento à frio de AZ31-O é de cerca de 20%. Peças após serem desenhadas a
frio são submetidas a um alívio de estresse a temperatura de durante 1
hora, isso ocorre eliminar a possibilidade de quebra por tensões residuais. [1]
Embora ambas as prensas hidráulicas e mecânicas possam ser utilizadas, as
prensas hidráulicas são preferíveis porque são mais lentas e mais fáceis de
controlar. Estampagens a quente têm a vantagem de que a operação pode
geralmente ser realizada num único passo. Por exemplo, AZ31-O pode ser
desenhada 68% a quente, em uma única operação.
Tanto as folhas de magnésio quanto as extrusões podem ser alongadas. A
folha é geralmente aquecida até e lentamente esticada para o
contorno desejado. A folha AZ31-O é geralmente esticada a sem uma
alteração nas suas propriedades mecânicas, enquanto a liga AZ31-H24 é
geralmente formada a em intervalos de tempo inferiores a 1 h, para evitar
uma apreciável perda de força. [1]
7.2 – Fundição por areia do Magnésio
A fundição em areia é o método mais econômico para a produção de peças
fundidas com baixo volume, isso explica por que ela é muitas vezes o processo
escolhido na indústria aeroespacial. A reatividade do magnésio provoca reações
entre o metal líquido e a água nos moldes de areia "verde" ou de oxigénio em
moldes de areia seca. Estas reações provocam um escurecimento da pele do
fundido a uma profundidade apreciável apresentando a presença de porosidade e
uma cor cinza efeito do óxido em pó, chamado queima. Para evitar estes defeitos,
os quais afetam negativamente a resistência, a areia é misturada com inibidores
tais como 0,4-0,8% de fluoroborato de potássio ou fluoreto de de sílica sódio. As
ligas de fundição de magnésio são normalmente fundidas em um cadinho aço de
baixo carbono. O metal pode tanto derramado a partir do cadinho de aço quanto
38
transferido para uma panela de vazamento. As ligas de magnésio fundidas tendem
a oxidar-se e queimar ao ar e, portanto, as superfícies de fundição devem ser
protegidas do ar. Embora existam tanto os processos de fluxo e menos-fluxo, o
processo de menos-fluxo é o mais amplamente utilizado. No processo de menos-
fluxo, ou de atmosfera protecora de ar / gás de hexafluoreto de enxofre ou de ar /
dióxido de carbono / mistura de gás hexafluoreto de enxofre é utilizado para
eliminar os problemas de contaminação inerentes nos fluxos dos sólidos de
cloreto. [1]
O refinamento de grão é um aspecto importante nas ligas de magnésio
fundidas em areia. As ligas de Mg-Al e Mg-Al-Zn são tem geralmente seus grãos
refinados pela inoculação de carbono com o hexacloroetano ou hexaclorobenzeno
em tábuas comprimidas. O refinamento de grão é alcançado devido à formação de
carboneto de alumínio , que proporciona sítios de nucleação heterogêneos.
A libertação do cloro presente nessas tábuas, também ajuda a remover o gás
hidrogênio a partir da massa fundida. O zircônio é adicionado às ligas de magnésio
fundidas que não possuam alumínio para refinar o tamanho de grão. O zircônio
não pode ser utilizado para refinamento de grão nas ligas de magnésio contendo
alumínio porque forma componentes intermetálicos quebradiços com o alumínio.
Juntamente com os refinadores de grão, o cloreto de manganês é
adicionado à massa fundida para precipitar as impurezas de ferro. Após a fusão, a
liga é agitada, após isso o metal fundido pode repousar durante cerca de 15
minutos para permitir que os compostos de Al-Mn-Fe formem compostos
intermetálicos e depositem-se no fundo do cadinho. Após o vazamento, a lama de
Al-Mn-Fe com compostos precipitados é removida do fundo do vaso de fusão. O
tamanho do grão durante o vazamento é frequentemente verificado pelo
derramamento de uma pequena barra, juntamente com a fundição e, em seguida,
fraturanda-o e comparando a sua aparência de fratura a um conhecido conjunto de
amostras que apresentam diferentes tamanhos de grão. Para as fundições
aeroespaciais, barras de teste de tração também são derramadas durante a
fundição. Além disso, uma análise destrutiva completa de fundidos pode ser
necessária para uma base de amostragem. [1]
O vazamento por gravidade é normalmente utilizado para a fundição de
magnésio em areia. O metal flui para baixo em um canal e no sistema de calhas. Nos
39
canais eles são afunilados para ajudar a impedir o ar de entrar no fundido. Práticas
de acoplamento são importantes porque turbulências durante a transferência
podem resultar em óxidos e escória dentro do metal que está escoando o que
provocaria inclusões ou corrosões na superfície a ser dobrada. Telas ou filtros são
frequentemente usados para remover filmes de óxidos e impurezas. Avanços na
composição da areia e do núcleo de fabricação permitem agora o lançamento de
ligas de magnésio bastante complexas. Elas são frequentemente utilizadas para
complexas caixas de engrenagens que contêm óleo para a refrigeração de
pequenos diâmetros de furos integrais cercados por compartimentos de paredes
finas. A carcaça da caixa de velocidades típica de um fundido é mostrada na figura
12. [1]
As ligas de magnésio são moldadas em moldes permanentes quando o
número de peças justifica o alto custo ferramental. As propriedades mecânicas da
areia e da fundição de moldes permanentes são comparáveis, mas um maior
controle dimensional e uma melhor superfície podem ser obtidos por uma
fundição com molde permanente. Como resultado das lentas taxas de solidificação,
tanto para a fundição em areia quanto para a fundição em moldes permanentes,
um tratamento utilizando calor geralmente é necessário para chegar às
propriedades aceitáveis. [1]
Figura 18: Habitação da caixa de velocidades feita de magnésio fundido. [1]
40
7.3 - Tratamento térmico para o Magnésio
As ligas de magnésio forjadas podem ser recozidas por um aquecimento a
de 1 a 4 horas para produzir o máximo de recozimento prático.
Sendo a maioria das operações de moldagem realizadas a temperaturas elevadas, a
necessidade de recozimento completo é menor do que com muitos outros metais.
O alívio de tensões é usado para remover ou reduzir tensões residuais em
ligas forjadas de magnésio produzidas por trabalho a frio ou a quente, como corte,
conformação, estiramento e soldagem. O alívio de tensões é geralmente conduzido
a para tempos que variam de 15 a 180 minutos. As ligas fundidas
passam também por alívio de tensões por uma variedade de razões: (1) para
impedir a corrosão sob tensão no fundido de magnésio contendo mais de 1,5% de
alumínio, especialmente se ele for reparado por solda, (2) para permitir a
usinagem de precisão com pequena tolerância dimensional para peças fundidas, e
(3) para evitar a deformação e distorção de peças em serviço. [1]
Embora peças fundidas de magnésio, normalmente, não possuam elevadas
tensões residuais, mesmo moderadas tensões residuais podem causar grandes
deformações elásticas devido ao baixo módulo de elasticidade do magnésio. As
tensões residuais podem resultar da contração não uniforme durante a
solidificação, o arrefecimento não uniforme durante o tratamento térmico, as
operações de usinagem e reparação de solda. [1]
Ligas fundidas de Mg-Al-Zn quando soldadas não necessitam de tratamento
térmico, após a soldagem a solução deve ser submetida a um tratamento de alívio
de tensões durante 1 hora a para eliminar a possibilidade de corrosão sob
tensão. Da mesma forma, as ligas forjadas de Mg-Al-Zn exigem o alivio o estresse
após a conformação a frio para evitar a corrosão sob tensão.
Embora as ligas de magnésio não atinjam forças elevadas em comparação
com as ligas de alumínio durante o endurecimento por precipitação, existe algum
benefício na resistência ao tratamento térmico por certo número de ligas de
fundição. O tratamento térmico da solução ajuda a reduzir ou eliminar as redes
quebradiças interdendríticas na estrutura do molde. Assim, quando as ligas
fundidas são tratadas elas apresentam uma melhor ductilidade em comparação
com os fundidos que apresentão algum aumento na força. Os tratamentos mais
41
comuns de precipitação por endurecimento para as ligas de magnésio fundido são
as solução de tratamento e de envelhecimento natural (T4), a de envelhecimento
naturalmente só após a fundição (T5), e solução de tratamento e envelhecimento
artificialmente (T6). [1]
Para o tratamento térmico de solução, as peças são normalmente colocadas
em um forno pré-aquecido a e lentamente aquecidas a . Fornos
de soluções de tratamento térmico são geralmente aquecidos eletricamente ou a
gás controlado a ± e estão equipados com ventiladores para maximizar a
circulação. Para evitar a oxidação da superfície por calor excessivo durante
tratamento de solução, as atmosferas protetoras de hexafluoreto de enxofre,
dióxido de enxofre ou dióxido de carbono são usadas. Os fornos são também
equipados para lidar com um incêndio no caso de mau funcionamento do forno ou
ocorrer um superaquecimento. No caso de um incêndio, o gás de trifluoreto de
boro pode ser bombeado para dentro do forno. Embora haja exceções, o
aquecimento lento até à temperatura de solução do tratamento é recomendada
para evitar a fusão dos compostos eutéticos com a subsequente formação de vazios
de fronteira de grão. As partes são mantidas a uma temperatura quente para o
tratamento de uma solução para tempos no intervalo de 16-24 horas. Estes tempos
de espera são longos porque o tratamento por solução também serve o propósito
de homogeneizar a estrutura do molde. Peças fundidas muitas vezes exigem
equipamentos de apoio durante o tratamento de solução por calor para evitar que
eles sucumbam sob seu próprio peso. Algumas ligas de magnésio estão sujeitas a
um excessivo crescimento de grão durante a solução de tratamento por calor, no
entanto, não estão disponíveis tratamentos de calor especiais para minimizar o
crescimento de grãos. [1]
O magnésio é normalmente temperado ao ar após o tratamento de solução.
Geralmente o ar ainda é suficiente, mas um resfriamento forçado é recomendado
para cargas densas ou peças que têm uma pequena espessura. Têmpera em água
quente é usada para as ligas QE22 e QH21 para desenvolver as melhores
propriedades mecânicas. Refrigerantes com glicol também podem ser usados para
ajudar a evitar distorções. O envelhecimento artificial consiste em aquecer a
e segurar por 5-25 horas. A dureza não pode ser usada para a
verificação de um tratamento térmico. Para produtos fundidos, amostras de testes
42
de tração podem ser cortadas a partir de uma parte do molde de fundição ou de
barras de teste de tensão separados. [1]
7.4 - Usinagem do Magnésio
O magnésio é extremamente fácil de usinar em altas velocidades usando
maiores profundidades de cortes e maiores taxas de alimentação do que outros
metais estruturais. Tolerâncias dimensionais de alguns milésimos de polegada são
possíveis com superfícies finas de 3-5 polegadas. A usinagem é geralmente
conduzida à seco, no entanto, os fluidos de corte podem ser utilizados para reduzir
a possibilidade de distorção e minimizar o risco de incêndio, quando as lascas são
finas. Os cortes mais estreitos para acabamento têm mais chances de causar
incêndio do que cortes mais pesados de desbaste. Quando as lascas de magnésio
inflamam, elas queimam como uma luz branca brilhante. Para reduzir o risco de
incêndio quando o magnésio é usinado: (1) usar somente ferramentas afiadas, (2)
usar alimentadores pesado para produzir finas espessuras, (3) usar resfriadores de
óleo mineral, especialmente durante finos cortes de acabamento; (4) retirar as
lascas frequentemente da área de trabalho e armazenar em recipientes limpos e
cobertos de metal, e (5) manter um fornecimento adequado de extintores de
incêndio recomendados para o magnésio em todas as áreas de trabalho. [1]
7.5 - Soldagem do Magnésio
As ligas de magnésio podem ser soldadas por soldadura por arco blindado a
gás e pela soldadura de ponto. O processo GTAW utiliza um eletrodo de tungsténio,
um arame de soldadura de liga de magnésio, e um gás inerte, tal como argônio ou
hélio, para a blindagem. No processo GMAW, um fio de liga de magnésio
continuamente alimentado atua como eletrodo para manter o arco de argônio,
enquanto o gás de blindagem impede a oxidação à poça de solda. Não é necessário
o fluxo e as operações de soldagem são semelhantes àquelas para as ligas de
alumínio. Soldas em ligas de magnésio são caracterizadas por um tamanho de grão
fino, com uma média inferior a 0,01 polegadas. Problemas de soldagem, devido a
tensões residuais e à tendência a corrosão para algumas ligas podem ser
minimizados por um pré-aquecimento, após a soldadura, e um alívio de tensões.
Nas ligas Mg-Al-Zn (AZ31, AZ61, AZ63, AZ80, AZ81, AZ91 e AZ92), o conteúdo de
alumínio de até 10% auxilia na soldagem por meio da refinação da estrutura dos
43
grãos, enquanto que o conteúdo de zinco de mais de 1% aumenta a dificuldade de
aquecimento que pode causar fissuras na solda. Soldar juntas nas ligas Mg-Al-Zn e
ligas que contenham mais de 1% de alumínio exige um alívio de tensões, porque
elas estão sujeitas à corrosão sob estresse se este não for aliviado. O alívio de
tensões é geralmente conduzido por aquecimento a para tempos
variando de 15 a 120 minutos. As ligas com teores de zinco elevados, como ZH62,
ZK51, ZK60 e ZK61, são muito suscetíveis a rachaduras e têm pequena
soldabilidade. Fundidos com reparos de solda são normalmente tratados
termicamente após a soldadura, quer as têmperas T4, T5 ou T6. Se o fundido não é
tratado termicamente depois de uma reparação por soldagem, é salientado o alívio
de estresse. [1]
Embora a folha de magnésio possa ser soldada por pontos, isso
normalmente não ocorre, porque a resistência à fadiga das juntas soldadas por
pontos é menor do que para as juntas rebitadas ou coladas. Assim, a soldadura por
pontos não deve ser utilizada em juntas de submetidas à fadiga ou ambientes de
vibração. Em juntas rebitadas, apenas rebites galvanicamente compatíveis, tais
como alumínio 5056, devem ser usados. Rebites quarto-rígidos 5056-H32 de
alumínio são satisfatórios para rebites normais.
7.6 - Proteção do Magnésio contra corrosão
Nas ligas de magnésio, a corrosão é uma realidade que estará sempre
presente. Para a proteção contra a corrosão, um revestimento atráves do
tratamento de conversão química ou anodização é necessário, antes da aplicação
de um sistema de tinta orgânica. Estes tratamentos enrugam e modificam
quimicamente a superfície para a máxima aderência da tinta. O típico tratamento
de anodização (Dow 17) é mostrado na figura 13. Neste tratamento, o papel da
estrutura alcalina é primeiro limpar e depois a anodização em uma solução de
, , 2 e aquecida até usando uma
corrente AC ou DC de Este método produz um revestimento de
duas camadas, a primeira camada é uma camada fina de luz verde,
revestimento (0.2mil) feito a tensões inferiores, que é seguida por uma espessa
camada escura e verde de revestimento (1.2mil) feito em voltagens mais altas. O
revestimento mais espesso aumenta a proteção contra a corrosão e forma uma
44
excelente base para pintura, mas pode ser suscetível à fragmentação sob impacto,
deformação ou flexão. [1]
Figura 19: Tratamento de anodização para as ligas de Magnésio. [1]
Superfícies de fundição porosas são normalmente preenchidas com uma
resina penetrante antes da aplicação da tinta. As primárias geralmente contêm
cromato de zinco ou os pigmentos de dióxido de titânio para a melhoria da
resistência à corrosão. A secagem ao ar e cozida é utilizada sobre tintas, com o
cozimento as tintas tentem a ser mais duras e mais resistentes aos solventes.
Dependendo da aplicação, alquídos vinil proporcionam resistência a alcalinos,
acrílicos resistência para a névoa salina, esmaltes alquídicos para o exterior,
durabilidade e epóxis para a resistência à abrasão. Vinílicos podem suportar
temperaturas de até cerca de . Acabamentos de temperatura mais alta
incluem vinis modificados, epóxi, epóxi modificados, epoxi-silicones, e silicones.
Esses são importantes para manter a integridade da pintura do sistema quando a
peça é colocada em serviço, pois superfícies que possuem somente a conversão
química ou superfícies anodizadas irão corroer rapidamente quando expostos à
atmosfera. [1]
45
8 - Conclusão
Mesmo possuindo algumas propriedades atrativas, como o fato de ser o
metal estrutural de menor densidade (como quando comparado com o ferro e o
alumínio) e ser de fácil fabricação, as ligas de magnésio ainda perdem no geral para
as ligas de alumínio, pois ao se pensar em todas as características necessárias em
aplicações estruturais aeronáuticas, elas não são capazes de dar uma resposta
totalmente eficaz.
Os custos de fabricação são mais elevados do que os de ligas de alumínio,
devido à necessidade de conformação sob altas temperaturas, além do fato de
terem baixa resistência à corrosão e por isso precisarem de um tratamento mais
agressivo a fim de evitá-la, o que já é naturalmente presente em ligas de alumínio
pela presença da alumina (óxido que se forma em sua superfície e promove
proteção contra corrosão). As ligas de magnésio também precisam de tratamentos
térmicos para aumento de resistência e dureza.
Logo, o uso de magnésio na indústria aeronáutica não é muito expressivo, e
seu uso vem decrescendo desde a Segunda Guerra Mundial. Atualmente, sua maior
aplicação está na construção de transmissões de helicópteros.
Portanto, seu alto custo e a concorrência imposta pelo alumínio torna seu
uso na indústria aeronáutica quase insignificante. Entretanto, seu uso vem sendo
novamente cogitado na indústria aeronáutica, devido às dificuldades com
materiais compostos e a necessidade de estruturas com grande leveza, sem perder
muito as propriedades mecânicas, o que pode se tornar realidade devido ao
surgimento de novas tecnologias de produção e tratamento do magnésio.
46
9 - Referências Bibliográficas
[1] CAMPBELL, F.C. Manufacturing technology for Aerospace Structural
Materials. Oxford: Elsevier, 2006. 616p.
[2] Dennis, W.H. Metallurgy of the non-ferrous metals, 2nd edition. London : Sir
Issac Pitman & Sons Ltda.
[3] Wikipedia. Magnésio. [En ligne] [Citation : 01 10 2011.]
http://pt.wikipedia.org/wiki/Magnésio.
[4] Bray, J.L. Non-Ferrous Production Metallurgy. pp. 1890G1952.
[5] Friedrich, Horst E. et Mordike, Barry L. Magnesium Technology - Metallurgy,
Design Data, Applications. s.l. : Springer, 2006.
[6] REIS, R, P. Aços na Indústria Aeronáutica. Uberlândia: Universidade Federal
de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica. Disciplina: Materiais de
Construção Aeronáutica.
[7] SURANAREE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. Magnesium and its alloys.
Disponível em : < http://eng.sut.ac.th/metal/images/stories/pdf/03_Magnesium%
20and%20magnesium%20alloys.pdf>. Acesso em 02 fev. 2013.7
[8] SIMANDL, G. J.; SCHULTES, H.; SIMANDL, J.; PARADIS, S. Magnesium - Raw
Materials, Metal Extraction and Economics - Global Picture. Proceedings of the
Ninth Biennial SGA Meeting, Dublin, p. 827. 2007.
[9] POHL, W. e SIEGL, W. (1986). Sediment-hosted magnesite deposits. In: Wolf, K.
H. (Ed.) Handbook of strata-bound andstratiform ore deposits, Part IV, vol. 14.
Amsterdam: Elsevier Science Publishers B.V., cap. X, p. 223-310.
[10] CORREIA, D, M, B. Magnesita. Balanço Mineral Brasileiro, 2001.
[11] FINLAY , P. Magnesium production. Section VI.B.3.: Guidance by source
category: Annex C, Part III Source Categories. Canada. 2004.
[12] I. OSTROVSKY e Y. HENN. Present state and future of magnesium application in
aerospace industry. International Conference: “New Challenges in Aeronautics”
Recommended
