Outras ligas de metais não ferrosos
Embora a ciência dos materiais se refira mais frequentemente aos aços e às ligas de alumínio e cobre, muitas aplicações técnicas importantes baseiam-se em ligas de metais não ferrosos mais especializadas. Estas ligas permitem a conceção de juntas de atrito com desgaste controlado, a criação de juntas soldadas herméticas e duradouras, a construção de elementos de segurança que funcionam por fusão e a obtenção de uma elevada resistência à corrosão ou de uma relação resistência/peso excecionalmente favorável.
Este estudo debruça-se sobre seis grupos de materiais: ligas para rolamentos, ligas de solda, ligas de baixo ponto de fusão, zinco e respetivas ligas, titânio e respetivas ligas e ligas de metais preciosos. A tabela mostra como a escolha da composição e microestrutura se traduz em requisitos operacionais específicos: desde lubrificação e “amaciamento” até resistência química e retenção de propriedades em temperaturas elevadas.
Este artigo foi baseado no livro didático “Metaloznawstwo”, do professor Stanisław Rudnik. O conteúdo a seguir representa apenas uma visão geral do tema. Para quem estiver interessado no assunto, recomendamos vivamente que aprofunde os seus conhecimentos consultando a literatura especializada.
Ligas para rolamentos
As ligas para rolamentos são utilizadas para fabricar casquilhos em rolamentos deslizantes, onde a superfície do casquilho interage diretamente com o munhão do eixo. O material do casquilho deve, portanto, garantir um baixo coeficiente de atrito, reduzir o desgaste em ambas as superfícies de atrito e, ao mesmo tempo, suportar altas pressões unitárias. É muito importante que o casquilho seja menos duro que o munhão, para que quaisquer possíveis danos ocorram no elemento que é mais fácil de substituir, e não no eixo. A resistência ao desgaste também é importante: a concha do rolamento deve ser suficientemente plástica para se adaptar às microirregularidades do munhão, sem que seja demasiado macia para não aderir à superfície do munhão à temperatura de funcionamento.
Na prática, estes requisitos são complementados por propriedades tecnológicas e operacionais: a liga deve ser facilmente fundível (para facilitar a fundição das copas), mas o seu ponto de fusão não deve ser muito baixo, para que a copa não amoleça quando aquecida durante o funcionamento. Outros fatores importantes incluem boa adesão da liga ao material da camisa do rolamento, condutividade térmica adequada (dissipação do calor de atrito), resistência à corrosão e o menor custo possível.
As propriedades ideiais são obtidas por uma liga com uma estrutura na qual inclusões duras de tamanho e quantidade adequados são distribuídas uniformemente numa matriz relativamente macia e dúctil. A matriz macia facilita a adaptação à forma do munhão sem abrasão intensa, enquanto os componentes duros reduzem a tendência da matriz para aderir e promovem a formação de espaços capilares nos quais uma fina camada de óleo lubrificante pode permanecer. O nó de atrito opera então de forma mais estável e as condições de lubrificação são mais fáceis de “manter”, mesmo durante sobrecargas temporárias.
O material de rolamento mais barato é frequentemente o ferro fundido perlitico cinzento. Este material suporta altas pressões unitárias, mas devido à sua abrasão relativamente alta, não é adequado para motores de alta velocidade. A presença de grafite tem um efeito benéfico: a grafite triturada misturada com massa lubrificante forma uma camada fina na superfície que reduz a abrasão. No entanto, em aplicações que exigem melhores parâmetros, as ligas macias e facilmente fundíveis à base de estanho ou chumbo são as mais utilizadas.
O melhor grupo de ligas para rolamentos é o das ligas de estanho-antimónio-cobre, conhecidas como babbitt. O cobre e o antimónio aumentam a resistência dessas ligas com uma ligeira redução na plasticidade, por isso é crucial equilibrá-los. Para o teor de cobre comumente encontrado de 3% a 6%, a maior resistência é alcançada em torno de 9% a 10% de Sb, e composições que não excedam 10% a 12% de Sb e 6% a 7% de Cu são consideradas particularmente favoráveis. Este grupo inclui, entre outros, SnSb8Cu3 e SnSb11Cu6. A matriz é uma solução de antimónio e cobre em estanho – macia e dúctil, embora mais dura do que o estanho puro – e, neste contexto, existem cristais cúbicos do composto SnSb e cristais Cu6Sn5 na forma de estrelas e agulhas. As fases duras atuam como “transportadoras” de carga e estabilizam as condições de atrito, mas os babbits são caros, por isso são usados principalmente em rolamentos que operam sob altas cargas e velocidades.
Uma alternativa mais barata são as ligas de estanho-chumbo-antimónio, nas quais parte do estanho é substituído por chumbo. A matriz macia destas ligas é um eutético triplo com alto teor de chumbo, e a estrutura ainda contém cristais cúbicos de SnSb. Na prática, o cobre é frequentemente adicionado para reduzir a segregação resultante das diferenças na densidade dos componentes; o cobre forma então compostos Cu2Sb duros em forma de agulha. Um exemplo é a liga PbSn16Sb16Cu2, que é mais barata do que o babbitt, mas geralmente opera em condições menos exigentes (cargas e velocidades mais baixas).
O terceiro grupo consiste em ligas de chumbo com metais alcalinos, como cálcio, bário ou estrôncio. Estes elementos formam compostos duros com chumbo (por exemplo, Pb3Ca, Pb3Ba) distribuídos numa matriz macia de chumbo quase puro; às vezes, também é adicionada uma pequena quantidade de sódio para aumentar a dureza. A vantagem é o baixo custo com boa qualidade, o que promove um amplo uso, especialmente em ferrovias. As limitações incluem baixa resistência à corrosão atmosférica e a queima dos elementos de liga durante a refundição. Em rolamentos que operam em condições particularmente adversas (altas pressões e velocidades), também são utilizados bronzes de estanho ou bronzes de chumbo.
Ligas de solda
Soldar é o processo de unir metais usando um metal adicional – a solda –, que é derretido, flui e preenche a lacuna da junta. O ponto de fusão da solda deve ser inferior ao ponto de fusão dos metais que estão a ser unidos, para não causar a sua fusão. Uma boa solda deve molhar bem as superfícies soldadas, dissolver-se de forma limitada nos metais que estão a ser unidos, apresentar boa fluidez no estado líquido e a sua faixa de solidificação não deve ser muito ampla, pois isso dificulta a obtenção de uma junta homogénea e firme.
Devido ao seu ponto de fusão, existem soldas macias (até 450 °C) e soldas duras (acima de 450 °C). As soldas macias têm baixa dureza e baixa resistência à tração (aproximadamente 50 MPa a 70 MPa), mas são dúcteis, razão pela qual proporcionam boa estanqueidade, embora normalmente não sejam concebidas para suportar cargas pesadas. As mais comuns são as soldas de estanho-chumbo, nas quais um ponto de referência importante é a composição eutética de 61,9% de Sn e um ponto de fusão de 183 °C.
A solda de estanho-chumbo é abrangida pela norma PN-76/M-69400, e as soldas individuais são marcadas com as letras LC e um número correspondente ao teor médio de estanho em percentagem. As variantes com adição de antimónio têm a letra “A” no final da designação, por exemplo, LC30A contém aproximadamente 30% de Sn, 68% de Pb e 2% de Sb. A solda LC60 (60% de Sn e 40% de Pb) tem uma composição próxima da eutética, por isso é a mais fácil de fundir e tem uma faixa de solidificação muito estreita, de cerca de 7 °C. À medida que o teor de chumbo aumenta, o intervalo de solidificação aumenta; num aglutinante com 20% de Sn e 80% de Pb, ela pode exceder 100 °C, o que promove a formação de poros e prejudica a estanqueidade e a resistência da junta. À temperatura ambiente, a dureza e a resistência das ligas de Sn-Pb aumentam com o teor de estanho, e os valores mais elevados são geralmente obtidos por ligas com 50% a 80% de Sn; por outro lado, as ligas com um teor muito baixo de estanho (5% a 10%) são menos escassas, mas têm propriedades inferiores.
As soldas duras funcionam a temperaturas de fusão muito mais elevadas (de cerca de 400 °C até 2000 °C) e são utilizadas quando é necessária uma elevada resistência da junta. A resistência das juntas feitas com soldas duras pode ser de cerca de 200 MPa a 700 MPa. Na prática, existem três grupos principais: soldas à base de cobre, soldas à base de prata e soldas especiais. O cobre tem boas propriedades de soldadura e é utilizado para unir aço, ferro fundido e ligas de cobre, mas o seu elevado ponto de fusão requer soldadura a temperaturas de 1100 °C a 1200 °C, o que aumenta o consumo de energia e pode prejudicar as propriedades dos componentes soldados devido a alterações estruturais durante o aquecimento. Por este motivo, além do cobre puro, as suas ligas são amplamente utilizadas. As ligas de prata (abrangidas, entre outras, pela PN-80/M-69411) são importantes na engenharia elétrica, entre outros campos, e as mais significativas são as ligas Ag-Cu-Zn com boas propriedades mecânicas e resistência à corrosão, permitindo a união de aço, ligas de cobre, metais preciosos e carbonetos sinterizados. As soldas especiais incluem, entre outras, soldas à base de ouro e platina (por exemplo, joalharia, odontologia), soldas à base de alumínio (união de ligas leves) e soldas à base de magnésio (união de ligas de magnésio).
Ligas de baixo ponto de fusão
As ligas de baixo ponto de fusão (facilmente fundidas) são ligas com um ponto de fusão inferior ao do estanho, ou seja, abaixo de 232 °C. São compostas por metais com baixo ponto de fusão, principalmente chumbo, estanho e bismuto, bem como, em quantidades menores, cádmio, antimónio, zinco, índio e outros aditivos. A composição é selecionada de forma a formar eutéticos com o ponto de fusão mais baixo possível, o que permite que o ponto de fusão do elemento fusível seja “definido” com precisão.
Uma boa ilustração do efeito da multicomponência é o sistema Sn-Pb-Cd-Bi-In, no qual a liga eutética pode ter um ponto de fusão de cerca de 47 °C. Na prática, as ligas de baixo ponto de fusão utilizadas no nosso país estão listadas na norma PN-71/H-87203. Entre as ligas listadas nesta norma, um dos pontos de fusão mais baixos (aproximadamente 70 °C) é o da liga BiPb25Sn12Cd12, conhecida como liga de Wood, com uma composição de 25% de Pb, 12% de Sn, 12% de Cd e 51% de Bi.
As aplicações resultam diretamente da função: as ligas de baixo ponto de fusão são utilizadas em fusíveis e inserções de segurança, componentes de sistemas de incêndio e alarme, em fundição de precisão, bem como na indústria de equipamentos médicos e ortopédicos, onde baixas temperaturas de processo são frequentemente cruciais para a segurança e precisão.
Zinco e respetivas ligas
O zinco é um metal azul-branco com uma gravidade específica de aproximadamente 70 kN/m³. Tem um ponto de fusão baixo (419,4 °C) e um ponto de ebulição baixo (907 °C). A sua resistência à tração é moderada (Rm aprox. 150 MPa) com alto alongamento (A10 aprox. 50%), mas à temperatura ambiente, o zinco é frágil. Somente quando aquecido acima do intervalo de 100 °C a 150 °C é que se torna maleável e pode ser laminado em folhas finas e estirado em fios.
O zinco é resistente a atmosferas secas, mas na presença de vapor de água e dióxido de carbono, fica coberto por uma camada branca de carbonato de zinco alcalino, que funciona como uma camada protetora e limita a corrosão adicional. O zinco dissolve-se em ácidos diluídos e álcalis. O uso industrial mais importante do zinco é na proteção do aço: os revestimentos de zinco (galvanização) são benéficos porque, mesmo com fugas locais, o zinco atua como um ânodo protetor. Como tem um potencial eletroquímico inferior ao do ferro, o zinco dissolve-se e o aço fica assim protegido da corrosão.
O zinco também é usado como material para produtos semiacabados (por exemplo, na construção) e é um componente importante de muitas outras ligas metálicas. Existem algumas ligas cujo principal componente é o zinco, sendo as mais importantes as ligas de zinco com alumínio, cobre e magnésio, conhecidas como znale. Estas dividem-se em ligas de fundição e ligas forjadas. Além de zinco, geralmente contêm até 30% de Al, até 6% de Cu e pequenas quantidades de Mg; as diferenças entre as variedades resultam da sua utilização prevista e tecnologia de fabricação.
As ligas forjadas atingem maior resistência (aproximadamente 280 MPa a 320 MPa) com melhor plasticidade (A5 aproximadamente 5%). As ligas de fundição apresentam uma resistência de 150 MPa a 300 MPa, mas plasticidade muito baixa (A5 aproximadamente 1%), o que é típico para fundições, especialmente fundições sob pressão. Apesar da sua plasticidade limitada, as ligas de zinco fundido são amplamente utilizadas na indústria de máquinas (carroçarias, estruturas, tampas), na indústria automóvel (carburadores, alavancas, maçanetas) e na indústria de engenharia elétrica (caixas de dispositivos). As ligas plasticamente maleáveis podem substituir as ligas de cobre mais caras quando a economia e a tecnologia mais simples são importantes.
Titânio e respetivas ligas
O titânio é um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, mas a sua produção industrial em grande escala só se desenvolveu a partir de 1948. É um metal branco prateado, semelhante ao aço inoxidável, com um peso específico baixo de cerca de 44,1 kN/m³, que é quase metade do peso do ferro. É por isso que a sua relação resistência/densidade é particularmente vantajosa, o que se traduz em aplicações onde cada quilograma conta.
O titânio ocorre em duas formas alotrópicas: Tiα (estável a baixas temperaturas, rede hexagonal compacta) e Tiβ (estável a temperaturas mais elevadas, rede regular espacialmente centrada). A temperatura de transição alotrópica é de 882 °C. Este material caracteriza-se por uma resistência à corrosão muito elevada, comparável à dos aços austeníticos de crómio-níquel. A temperaturas até cerca de 500 °C, o titânio é praticamente imune ao ar; apenas a temperaturas mais elevadas se forma uma camada fina e bem aderente de óxidos e nitretos na sua superfície, que protege o metal dos efeitos do oxigénio e do azoto, desde que a temperatura não exceda cerca de 560 °C. Acima deste intervalo, a atividade química do titânio aumenta significativamente.
As propriedades mecânicas do titânio dependem fortemente da sua pureza. O titânio muito puro é extremamente dúctil e tem parâmetros semelhantes aos do ferro puro: Rm aprox. 250 MPa a 300 MPa, R0,2 aprox. 100 MPa a 150 MPa, A10 aprox. 50% e Z aprox. 70%. Os aditivos aumentam a resistência em detrimento da plasticidade, razão pela qual, na prática da engenharia, a pureza e a classe de liga são selecionadas de acordo com os requisitos. Devido à sua resistência à corrosão e alta resistência ao peso, o titânio e as suas ligas são utilizados em veículos, aeronaves, construção naval e equipamentos químicos, embora o seu alto preço continue a ser uma barreira.
Nas ligas de titânio baseadas em ambas as variedades alotrópicas, existem soluções sólidas de α e β. Como a fase β é estável em altas temperaturas e a fase α em baixas temperaturas, torna-se possível o tratamento térmico baseado em transformações de fase. O mecanismo da transformação β→α depende da temperatura: em temperaturas mais altas, é difusivo e origina uma estrutura granular, enquanto em superarrefecimento significativo – devido à baixa mobilidade dos átomos –— pode ocorrer uma transformação martensítica não difusiva, resultando numa estrutura agulhada (martensítica) frequentemente referida como α’.
As ligas de titânio utilizadas na prática são divididas em ligas monofásicas α, monofásicas β e bifásicas α+β. As ligas α incluem, entre outras, ligas de titânio com alumínio, que é o único aditivo que estabiliza a fase α; o alumínio aumenta a resistência e, devido à sua baixa densidade, tem um efeito positivo no peso específico da liga. As ligas β são relativamente menos comuns, enquanto as mais importantes são as ligas bifásicas α+β, que contêm aditivos que estabilizam a fase β, tais como vanádio, molibdénio, estanho, ferro, crómio ou magnésio. Estas ligas são geralmente mais resistentes do que as ligas monofásicas, são facilmente moldáveis e suscetíveis ao tratamento térmico; o Rm típico é de cerca de 900 MPa a 1200 MPa e, no intervalo de temperatura de até 500 °C, a sua resistência por unidade de densidade é, por vezes, mais favorável do que a do aço.
Embora a transformação martensítica sugira a possibilidade de endurecimento clássico, não costuma ser utilizada na prática porque o efeito sobre as propriedades mecânicas é, por vezes, insignificante. Para ligas bifásicas α+β, o tratamento térmico envolve normalmente supersaturação e envelhecimento: a supersaturação envolve o aquecimento a uma temperatura na qual a fase β é estável, seguido de um arrefecimento rápido para manter esta estrutura. Durante o envelhecimento, a fase β decompõe-se parcialmente numa mistura α+β, o que permite moldar a resistência e a plasticidade.
Ligas de metais preciosos
Os metais preciosos incluem ouro, prata e platina, e respetivas ligas. O que distingue estes metais é a sua resistência muito alta à corrosão em condições atmosféricas, na água e em vários ambientes químicos. Ao mesmo tempo, estes metais apresentam uma resistência relativamente baixa com propriedades plásticas muito boas, razão pela qual, em aplicações expostas à abrasão e deformação (por exemplo, joias, elementos dentários), costumam ser utilizados com maior frequência na forma de ligas do que como metais tecnicamente puros.
Os dados mecânicos dos metais puros mostram essa especificidade: o ouro tem um Rm de cerca de 130 MPa, uma resistência ao escoamento de cerca de 50 MPa e uma dureza de cerca de 20 HB, com uma redução de cerca de 95% e um alongamento de cerca de 55%. A prata tem um Rm de cerca de 160 MPa e uma dureza de cerca de 25 HB, com plasticidade muito elevada (Z cerca de 95%, A10 cerca de 60%). A platina atinge um Rm de cerca de 150 MPa e uma dureza de cerca de 50 HB, também com elevada plasticidade (Z cerca de 90%, A10 cerca de 50%).
O ouro é resistente à maioria dos ácidos e bases, razão pela qual é utilizado, entre outras aplicações, para douradura química e galvânica, em equipamentos de laboratório e em ligas utilizadas em eletrónica. A prata é particularmente resistente a bases fortes, mas é pouco solúvel em ácidos orgânicos; graças à sua muito boa condutividade elétrica, é utilizada em fios e componentes elétricos, bem como para prateamento. A platina é altamente resistente quimicamente, embora se dissolva em água régia quente; na indústria química, é utilizada tanto pela sua resistência à corrosão e propriedades catalíticas, como para o fabrico de equipamento de laboratório (malhas, cadinhos, evaporadores).
O ouro e a prata são utilizados principalmente em joalharia e odontologia como ligas, porque, no seu estado puro, são demasiado macios. O cobre e a prata são aditivos essenciais nas ligas de ouro. Fundir ouro com prata não aumenta significativamente a sua dureza, enquanto a adição de cobre aumenta a dureza de forma mais notável, embora à custa de uma certa diminuição na resistência à corrosão. Por este motivo, são frequentemente utilizadas ligas triplas de Au-Ag-Cu, que equilibram cor, dureza e resistência química. Na Polónia, a pureza do ouro estabelecida legalmente corresponde a 96%, 75% e 58,3% de teor de Au; historicamente, isto correspondia a 23, 18 e 14 quilates, respetivamente (o ouro puro tem 24 quilates). As ligas de terceira pureza têm a maior dureza e resistência à abrasão, mas também possuem uma cor distintamente avermelhada devido ao alto teor de cobre.
Os principais componentes das ligas de prata são o cobre e o zinco, e as finuras de prata legalmente estabelecidas são 94%, 87,5% e 80% de Ag. A finura mais elevada não é normalmente utilizada devido à sua dureza insuficiente, enquanto a segunda e terceira finuras são utilizadas em produtos artísticos, louças de mesa e acessórios. Do ponto de vista técnico, também é importante utilizar ligas de prata como soldas duras, onde combinam boas propriedades mecânicas e resistência à corrosão com molhabilidade. A platina e as suas ligas são utilizadas principalmente na indústria: as ligas Pt-Ir com uma dureza de aproximadamente 265 HB a 40% de irídio (utilizadas em engenharia elétrica, eletroquímica, medicina e joalharia) são muito importantes, enquanto as ligas de platina com ródio são utilizadas como catalisadores e na forma de fios para o fabrico de termopares.
Outras ligas de metais não ferrosos – resumo
Os grupos de ligas discutidos mostram que, na engenharia, muitas vezes não se trata da resistência “máxima” de um material, mas de um conjunto de propriedades selecionadas com precisão. As ligas para rolamentos são criadas para se obter propriedades de atrito, lubrificação e amaciamento, razão pela qual a estrutura de inclusões duras numa matriz macia é crucial. As ligas de solda são selecionadas para controlar o humedecimento e a solidificação da junta: soldas macias garantem a estanqueidade, enquanto soldas duras permitem a construção de juntas de alta resistência.
As ligas de baixo ponto de fusão utilizam o seu baixo ponto de fusão como uma característica funcional em componentes de segurança e tecnologia de precisão. O zinco e respetivas ligas combinam o papel de um material estrutural com a função extremamente importante de proteger o aço contra a corrosão e a possibilidade de produção barata de peças fundidas. O titânio e respetivas ligas oferecem alta resistência à corrosão e excelente resistência ao peso, especialmente nas variedades α+β tratadas termicamente. Por outro lado, os metais preciosos e respetivas ligas são insubstituíveis quando a resistência química, a condutividade ou a dureza controlada, mantendo alta plasticidade, são decisivas.
Segue-se uma visão geral transversal dos metais não ferrosos e suas ligas – propriedades e aplicações (material em inglês).
