Seminario pp1-metais nao ferrosos

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Seminario pp1-metais nao ferrosos

  1. 1. DEPARTAMENTO DE MECÂNICA – PROCESSOS DE PRODUÇÃO I PROJETOS SEMINÁRIO METAIS NÃO FERROSOS ORIENTADOR: PROF. ROBERTO CARDOSO TURMA: 071 CARLOS AUGUSTO SIMÕES 11103249 CHRISTIAN NAKASATO 12208639 SÃO PAULO 1º SEMESTRE DE 2013
  2. 2. 2 Introdução: História do Metal Para compreendermos a essência e a importância deste tipo de material, voltemos na linha do tempo e vejamos a história deste elemento inovador para toda a civilização. O primeiro metal descoberto foi o cobre, ainda na pré-história, no oriente médio. Com sua descoberta e, posteriormente, de outros metais foi possível desenvolver ferramentas mais eficientes que as feitas de pedra. Com o uso do metal foi possível fabricar a roda. Atualmente, é encontrado em nossos lares (ex: panelas, armários, talheres), nos automóveis, nas embalagens de alimentos, etc. É sólido, não deixa a luz passar, pois é opaco, e conduz bem a eletricidade e calor. Possui um reflexo especial. Quando aquecido é maleável, podendo ser moldado em vários formatos, desde fios até chapas e barras. Os metais podem ser encontrados misturados ao solo e às rochas, sendo chamados de minérios. Os minérios são substâncias encontradas em solos e rochas de onde é possível extrair os metais. Alguns metais, tais como o ferro e o cobre, são extraídos dos minérios já em sua forma final. Outros materiais como aços e bronzes, precisam ser associados com outras substâncias. Para a obtenção dos metais através dos minérios, é feita a redução deste minério, ou seja, a separação do metal dos demais componentes. Este processo primário é feito com altas temperaturas e com elevado consumo de energia.
  3. 3. 3 O século XX assistiu a uma série de transformações não só em nosso país, mas em todo o mundo. E muitas dessas mudanças se deram como consequência das duas grandes guerras. A Segunda Guerra Mundial, por exemplo, trouxe à tona a importância da indústria metalúrgica dos não ferrosos. Foram aprofundadas as pesquisas para radiografar o solo e o subsolo brasileiros e aperfeiçoar o aproveitamento dos nossos recursos minerais. Adentrávamos na década de 60 e ainda pouco se conhecia das reais possibilidades do setor mineral brasileiro, a não ser por alguns insumos siderúrgicos, como o minério de ferro, destinados à exportação. A produção de materiais não ferrosos sequer chegava a suprir a necessidade do nosso próprio mercado. Outra vez mais, a necessidade de evitar o alto consumo de energia elétrica impedia também o desenvolvimento da indústria dos não ferrosos e de ferro ligas. Nos anos 50, as empresas interessadas em atuar nesse segmento precisavam construir suas usinas de força, para que pudessem gerar a energia necessária para suprir o próprio gasto. Essas usinas exigiam um investimento muito superior a sua própria capacidade, principalmente por tratar-se de uma indústria ainda em fase embrionária com um mercado interno que ainda precisava de tempo para se solidificar. Esse tempo se cumpriu e a indústria brasileira de não ferrosos, apesar de algumas oscilações de um ano para outro, atingiu e se mantém em franco crescimento e é conceituada, em alguns setores, como uma das maiores produtoras de todo o mundo.
  4. 4. 4 O que são e qual a utilidade dos metais não ferrosos? Metais não ferrosos são todos os metais, com exceção do ferro, empregados na construção mecânica (cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, alumínio, magnésio, titânio, etc.). De outra forma, denominam-se metais não ferrosos, os metais em que não haja ferro ou em que o ferro está presente em pequenas quantidades, como elemento de liga. Os metais não ferrosos são mais caros e apresentam maior resistência à corrosão, menor resistência mecânica, menor resistência às temperaturas elevadas e melhor resistência em baixas temperaturas que o aço carbono. Possuem os mais diversos empregos, pois podem substituir materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos. Esses metais são utilizados geralmente isolados ou em forma de ligas metálicas, algumas delas são amplamente empregadas na construção de máquinas, automóveis, tratamento galvânico de superfície de materiais, componentes elétricos, construções aeronáuticas e navais. As principais utilizações dos metais não ferrosos são as que são submetidos à corrosão ou contaminados pelo produto da corrosão, como em situações extremas de baixas temperaturas. Os metais não ferrosos estão desempenhando um papel cada vez mais importante nas economias dos países. Descobertas de novas jazidas e de novos processos de extração e de transformação estão permitindo uma expansão significativa em termos de utilização e de desenvolvimento de novas aplicações. Podemos dividir os metais não ferrosos em dois tipos: • Metais pesados: cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc. • Metais leves: alumínio, magnésio, titânio, etc. São, também, bastante utilizados em componentes elétricos. Abaixo, uma exposição dos principais metais não ferrosos utilizados e a finalidade de cada um deles.
  5. 5. 5 O Cobre e suas ligas Um dos mais antigos metais não ferrosos transformados pelo homem, o cobre tem fundamental importância nas indústrias elétrica e eletrônica, na engenharia industrial e construção civil, nas indústrias de transportes, automobilística, de construção naval, aeronáutica e ferroviária, além de diversas outras aplicações como cunhagem de moedas, fabricação de armas e munições, indústria alimentícia, de embalagens, farmacêutica, de equipamentos e produtos agrícolas, de tintas e pigmentos, joalheira, etc. As reservas brasileiras desse metal somam 11 milhões de toneladas, e durante muito tempo quase toda a necessidade brasileira era coberta por importações. Esse panorama começou a mudar a partir de 1982, com o início das operações da Caraíba Metais S.A, a princípio constituída como empresa estatal, e posteriormente privatizada. Em 1998, o país registrava uma queda sensível no volume de produção de cobre (foram da ordem de 33.500 toneladas, 14% inferior ao volume obtido no ano anterior). Quase todos os setores da indústria minero-metalúrgica alcançaram sua autossuficiência, pela sua atuação na extração e transformação de não ferrosos, e pela capacidade de trazer divisas para o Brasil, através das exportações. Em 1998, a utilização da capacidade de produção da indústria de mineração atingiu 79%, ou seja, 21% de ociosidade nominal. Por bens minerais, os mais altos níveis operacionais ocorreram no nióbio (100%), alumínio (98%), grafita, potássio e rocha fosfática (90% cada). Os índices mais baixos ficaram por conta da magnesita e do cobre, com 60% e 63%, respectivamente. São usualmente utilizados cerca de 50 tipos de cobre e ligas em equipamento de processos, os quais podem ser classificados em: cobre comercial, latões, bronzes e cobre-níquel.
  6. 6. 6 Cobre comercial O cobre comercial apresenta, ao menos, 95% de cobre em sua composição. A principal fraqueza desse material e a baixa resistência mecânica permite seu uso até uma temperatura de 200ºC. A baixa capacidade de utilização às altas temperaturas e seu custo elevado restringe sua utilização. Devido à sua estrutura CFC, o cobre não apresenta transição dúctil-frágil e pode ser utilizado sem teste de impacto até uma temperatura de – 200ºC. A resistência do cobre comercial à corrosão assim como as ligas de cobre é consequência da formação de uma camada formada por vários compostos de cobre, diferindo da camada formada pelos óxidos nos aços. O cobre e suas ligas são altamente catódicos comparados ao aço carbono. A união cobre - aço carbono causará uma intensa corrosão galvânica na presença de meios eletrolíticos. O cobre comercial apresenta excelente resistência à corrosão atmosférica úmida e poluída, e também às águas salobras (que é aquela que tem mais sais dissolvidos que a água doce e menos que a água do mar) e a salgada (água do mar), aos meios não oxidantes, aos compostos orgânicos (álcoois, aldeídos, cetonas, hidrocarbonetos, ácidos graxos, etc.). Apresenta baixa resistência a corrosão em meios ácidos oxidantes fortes (nítrico, sulfúrico, crômico, entre outros). Tanto o cobre como suas ligas apresentam corrosão sobtensão em meios onde houver a presença de amônia, aminas, sais amoniacais, cianetos entre outros compostos nitrogenados. Não se pode utilizar o cobre e suas ligas em serviços com o acetileno, pois há a formação de um produto explosivo.
  7. 7. 7 Latões Os latões são ligas de cobre com até 40% de zinco e pequenas concentrações de outros elementos. O aumento da quantidade de zinco na solução sólida diminui o custo do material e, também, diminui a resistência à corrosão. Para quantidades superiores a 15% ocorrerá grave dezincificação. Essa corrosão consiste na migração do zinco, ficando a liga reduzida a um material esponjoso, constituído de cobre quase puro e sem qualquer resistência mecânica, o que pode ser observado pela mudança de cor do latão que passa do amarelo para o vermelho cobre. A dezincificação pode ser controlada com a adição de Arsênio (As) ou Antimônio (Sb). Os latões são usados, principalmente para tubos e espelhos de troca de calor, bem como para válvulas de pequeno diâmetro e submetido às baixas pressões, devido à sua pequena resistência mecânica. Bronzes Os bronzes são ligas de cobre criadas com o intuito de suportarem maior temperatura e possuem maior resistência mecânica. Os elementos de liga associados ao cobre (85-95%) são: antimônio (Sb), alumínio (Al), fósforo (P), silício (Si). Como sabemos, os elementos silício (Si) e o alumínio (Al), são desoxidantes sendo este último o mais utilizado em equipamentos de processos. Os bronzes industriais podem ser utilizados entre as temperaturas de - 200ºC e 370ºC. Sua resistência é similar a do cobre comercial e também está sujeito à corrosão sobtensão em presença de amônia, aminas, sais amoniacais, e mercúrio. São empregados para a construção de pequenas válvulas, para o mecanismo interno de grandes válvulas e paras espelhos de trocadores de calor.
  8. 8. 8 Cobre-Níquel O níquel e o cobre possuem tamanhos atômicos próximos. Assim, a ligação cobre e níquel formam soluções sólidas. Os cobre-níquel possuem maior resistência à corrosão e à temperaturas elevadas, mas também, possui um preço elevado. A resistência mecânica do cobre-níquel é semelhante a do bronze e sua resistência à corrosão é semelhante a do cobre comercial. São usados principalmente para feixes tubulares de trocadores de calor, onde circula água salgada ou outras águas agressivas e para tubulações de águas agressivas e de ácidos diluídos com pequenos diâmetros, onde não é possível o uso do aço carbono. O magnésio e suas ligas O magnésio, cujo símbolo químico é Mg, é caracterizado por sua leveza, pois tem 1/5 da densidade do ferro. Funde-se a 651ºC e oxida-se com facilidade. A maior utilização do magnésio (50%) é como elemento de liga do alumínio. É usado também na fabricação do ferro fundido nodular e na redução de metais (35%). Somente 15% são usados na fabricação de produtos. As ligas de magnésio podem ser fundidas ou conformadas por laminação, forjamento ou extrusão. Elas têm como característica baixa densidade, alta resistência e dureza em baixas e altas temperaturas e elevada resistência à corrosão em temperatura ambiente. As propriedades mecânicas de algumas delas podem ser melhoradas por tratamento térmico. Essas características fazem com que elas se tornem adequadas à fabricação de peças de embreagem, suporte de pedal de freio, trava de coluna de direção; ferramentas manuais, calandras, máquinas de impressão, componentes de máquinas de alta velocidade e componentes para a indústria aeroespacial. Estas informações estão resumidas no quadro a seguir:
  9. 9. 9 Elemento adicionado Influências Aplicações Alumínio e zinco Boa resistência mecânica por conformação a frio Indústria aeronáutica e Automobilística: rodas, caixas de manivela, tanques de combustível, pistões e outras peças de motores a jato. Zinco e zircônio Ductilidade e boa resistência mecânica por encruamento Alumínio e manganês Alta resistência a impactos e alta ductilidade. Alumínio, zinco e manganês. Alta resistência à tração Alumínios e suas ligas O alumínio ocupa o segundo lugar em importância, entre os metais, na economia mundial, e a produção nacional conta com o pioneirismo da Eletroquímica do Brasil, a Elquisa, produtora do primeiro lingote de alumínio no país, em 1945. Mais tarde, essa empresa seria adquirida pela Aluminium Company of Canada, a Alcan. Além dela, a Companhia Brasileira de Alumínio (CBA), proprietária de importantes jazidas de bauxita na região de Poços de Caldas, Minas Gerais, também desempenhou um papel importante no processo. Após ser vendida para o grupo Votorantim, ainda na década de 40, passou a ser a maior empresa privada nacional do ramo, especializada em alumínio, depois em zinco, e, por fim, em níquel. O setor do alumínio começou a se beneficiar de investimentos estrangeiro durante a Primeira Guerra Mundial, através da participação da Aluminium Company of America (Alcoa), e a Aluminium Company of Canada (Alcan). Voltadas, a princípio, para a produção de semiacabados, produziam, já nos anos 50, o alumínio primário, contribuindo com o desenvolvimento dessa indústria no país. O IPT, por meio do trabalho e dedicação de técnicos designados, havia desenvolvido, ainda na década
  10. 10. 10 de 40, experiências significativas na Usina Experimental de Apiaí, estabelecendo processos para a fabricação do chumbo. As indústrias de equipamentos, elétrica, eletrônica, automobilística e de eletrodomésticos seriam beneficiadas pela introdução no Brasil dos princípios da metalurgia do pó, implantados aqui após o retorno do professor Vicente Chiaverini de sua viagem de estudos aos Estados Unidos. Duas únicas empresas atuavam no setor de pós-metálicos quando já estávamos no meio da década de 60, com uma produção relativamente pequena para um mercado em franco crescimento. A Combustol Indústria e Comércio Ltda., nessa época, incluiu em sua fábrica um laboratório voltado para pesquisas relativas à metalurgia do pó, resultando em projetos pioneiros na fabricação de equipamentos para a produção de pós metálicos. No princípio, a metalurgia do pó era vista apenas como uma nova técnica utilizada para a produção de alguns materiais não ferrosos tais como metais refratários, metal duro, ligas de bronze, etc. Mais tarde, invadiu o setor ferroso, onde, ainda hoje, merece destaque. A Combustol, citada como pioneira, não foi a única a marcar presença nesse setor. Empresas independentes também exerceram papel importante: a Brassinter, a Sandvik, a Cervin, e MEPS e outras ligadas ao setor de autopeças ou mecânico, como a Cofap, a Metal Leve ou a Singer. Mas foram as modificações introduzidas no Código de Mineração e uso do solo, realizadas a partir de 1964, que provocaram o mais notável surto de crescimento no setor, estimulado pela possibilidade de contar com investimentos estrangeiros. Grandes projetos ligados à exploração de minérios como o manganês, o nióbio, o ouro, o alumínio e o ferro são implantados na década de 70. Em 1972, os metais primários - como o alumínio, o chumbo, o cobre, o níquel, o estanho e o zinco - atingiriam uma produção superior a 219 mil toneladas, ou seja, aproximadamente 52% do consumo interno. A implantação de um novo modelo de desenvolvimento se beneficiaria da utilização de capital privado nacional, estrangeiro ou estatal. O Estado passou a interferir na área mineral, impondo uma estrutura institucional de
  11. 11. 11 apoio e de incentivo ao setor e a intenção de incorporação econômica da região amazônica. Novas companhias foram criadas para estimular o desenvolvimento de um programa de prospecção e pesquisa geológica em solo brasileiro, além de outros mecanismos de incentivo à pesquisa mineral e mineração, capazes de gerar condições para a entrada de empresas privadas no setor. A principal consequência dessa política de desenvolvimento arquitetada no começo do regime militar foi o surgimento do Conselho Nacional de Siderurgia (Consider), para coordenar os projetos siderúrgicos, integrando, em seguida, a metalurgia dos não-ferrosos. Projetos vultuosos foram implantados: a criação da Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM); a Amazônia Mineração S.A. (Amza); os projetos Tucuruí/Albrás/Alunorte, liderados pela Companhia Vale do Rio Doce; e o projeto Alumar, gerenciado pela Alcoa. Havia, ainda, a necessidade do rompimento das importações de produtos siderúrgicos e de não ferrosos, especialmente o alumínio, o cobre e o zinco, além de cimento e fertilizantes. Iniciou-se, nesse mesmo período, a consolidação do parque industrial nacional de ferroligas. O carvão passa a ser visto como o produto que despertaria maior interesse para o setor energético, pela capacidade de reduzir o consumo de petróleo. A participação do setor de mineração contribuirá sobremaneira para a produção e fornecimento interno dos não ferrosos, pela expansão dos setores já existentes e pela implantação de novas áreas de pesquisa e exploração de minérios. A transformação de metais não ferrosos fez contraponto às modificações da metalurgia primária, atingindo uma capacidade de produção, onde a quantidade e a qualidade estão aptas para abastecer o mercado interno e atender, em parte, as demandas do mercado externo. A descoberta de novas jazidas de minérios ricas em volume e qualidade, e o estágio de aperfeiçoamento das técnicas de mineração que já havia sido atingido, destacou o Brasil na produção minero-metalúrgico do mercado internacional. Essa situação advém, especialmente, do aumento de produção de ouro, do minério de ferro e do estanho de Pitinga. O alumínio foi o principal destaque na indústria da eletro metalurgia e na indústria minero- metalúrgica dos não-ferrosos, o ouro, o estanho, o níquel, o zinco, o chumbo, o cobre e o nióbio foram os principais destaques.
  12. 12. 12 No setor dos não ferrosos, a indústria de alumínio destacou-se como a que mais investiu e se desenvolveu na década de 80. Até 1982 o Brasil era um dos grandes importadores desse produto. Dois anos depois o alumínio já era exportado e, em 1988, as exportações atingiram um volume total de cerca de 565.000 toneladas. As exportações do alumínio e da bauxita, somadas, atingiram um valor na ordem de 1,5 bilhão de dólares. Alcoa, Billiton, CBA e CVRD são algumas das empresas que contribuíram para alcançar uma produção total de alumínio, em 1998, de 11.704.700 toneladas, elevando o Brasil à categoria de quarto maior produtor do metal no mundo. Quanto à matéria-prima necessária para a produção de alumínio, o país possui a terceira reserva mundial, respondendo por 17% do total, e é grande exportador desse minério, ficando atrás apenas da África Equatorial e da Austrália. Estão hoje em atividade mais de 300 empresas transformadoras, que empregam mais de 170 mil profissionais da área. O Anuário Mineral Brasileiro registrou, em 1991, uma produção nacional de bauxita bruta equivalente a 15.300 milhões de toneladas, enquanto a de bauxita beneficiada foi de 10 milhões de toneladas. As exportações atingiram 826.000 toneladas de produtos semiacabados. O alumínio é um metal de baixa densidade, alta condutividade térmica e de baixa resistência mecânica. Com uma estrutura CFC, o alumínio pode ser utilizado para serviços e submetido até próximo do zero absoluto, pois não apresenta a transição dúctil-frágil em sua resistência mecânica. Em temperaturas elevadas, sua resistência mecânica cai, tornando seu uso impróprio para temperaturas acima de 150ºC. No alumínio, forma-se uma fina camada de óxido muito estável e tenaz, sendo praticamente inerte à atmosfera e apresentando uma boa resistência à corrosão contra águas salinas, alcalinas e ácidas. Apresenta também boa resistência à corrosão nos seguintes meios: oxigênio, água oxigenada, ácido nítrico, amônia e compostos amoniacais, álcoois ésteres, éteres, cetonas, aminas, ácidos orgânicos, hidrocarbonetos, todos em temperatura ambiente, enxofre, ácido sulfídrico (H2S),
  13. 13. 13 dióxido de enxofre (SO2), sulfetos e produtos sulfurosos provenientes dos hidrocarbonetos, em altas temperaturas, monóxido de carbono (CO), gás carbônico (CO2), ácido carbono, acetileno, cianureto de hidrogênio (HCN), amônia anidra ou hidratada. O alumínio é altamente atacado quimicamente (corrosão química) por ácidos minerais não oxidantes: ácido clorídrico (HCl), Háfinio (HF), ácido sulfúrico (H2SO4), pela soda e potassa cáusticas, e por soluções fortemente alcalinas. O mercúrio e seus compostos causam corrosão no alumínio. Graças ao seu excelente desempenho em baixas temperaturas, o alumínio é usado para serviços criogênicos com gases liquefeitos. Ouro A introdução de nova técnica e a abertura de novos focos de exploração elevou o Brasil à categoria de quinto produtor mundial de ouro. A Mineração Morro Velho S.A., maior produtora no país, atuando em Minas Gerais, Bahia e Goiás, produziu, em 1978, 8,6 toneladas de ouro. Destaca-se nesse processo como a atual exploradora da Mina de Morro Velho, hoje denominada Mina Grande, a mais antiga mina de ouro em operação no Brasil, cujo início das explorações se deu em 1834. A descoberta de ouro em Serra Pelada provocou uma corrida descontrolada ao local, além da recuperação de antigas minas e a exploração de novas jazidas. Somados, esses fatores elevaram a classificação do Brasil no ranking de produtores de ouro. Embora mantenha sua projeção no mercado externo, a produção de ouro vem sofrendo queda anual pela própria dificuldade de exploração. Foram 70.000 kg produzidos em 1994, 60.200 kg em 1996, e 49.000 no fechamento preliminar de 1998. O baixo preço no mercado internacional e o esgotamento dos depósitos superficiais mais ricos nas áreas de garimpo contribuíram para a queda da produção. A indústria joalheira continua sendo o maior setor de consumo de ouro no mundo,
  14. 14. 14 embora também seja utilizado na eletrônica e na odontologia. O ouro amarelo, em suas diversas tonalidades, é obtido nas ligas com prata, cobre e zinco; e para a obtenção do ouro branco, a prata é substituída pelo níquel. A maior parte desse ouro é de 14 quilates. Estanho O estanho é o outro metal usado principalmente como proteção contra a corrosão. Seu símbolo químico é Sn e é extraído da cassiterita (SnO2). É resistente à corrosão, bom condutor de eletricidade, porém não-magnético. É utilizado principalmente na folha de flandres, que é uma chapa de aço coberta com estanho comercialmente puro. Essa chapa combina a resistência do aço com a resistência à corrosão, a facilidade e soldagem e a boa aparência do estanho. Esse material é usado basicamente na fabricação de latas para a embalagem de alimentos. As ligas estanho-zinco e estanho níquel usadas na estanhagem de peças para motocicletas e automóveis, ferramentas, partes de instrumentos científicos de precisão, protegem as peças contra a corrosão. O estanho puro e ligado com antimônio e cobre é matéria-prima para a produção de material de solda. A liga estanho-antimônio cobre também é usada na produção de mancais e ligas de fusíveis. A exploração desse minério origina-se da exploração da cassiterita na Amazônia. Utilizado especialmente na produção de folhas-de-flandres, tem 90% da sua produção destinada ao setor de embalagens e manufaturas de ligas para soldagem. É também utilizado no bronze, em ligas para mancais, na fabricação de peças ornamentais e produtos químicos. O Brasil detém, hoje, a quarta reserva mundial desse mineral, e é considerado o principal produtor mundial de estanho, exportando 80% de sua produção que vem oscilado ano a ano, com altas e baixas decorrentes
  15. 15. 15 da progressiva exaustão das reservas, diante de um quadro de preços deprimidos. Segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), o concentrado de cassiterita, em termos de metal contido, fechou 1998 com uma produção equivalente a 14.600 toneladas, 23,4% inferior ao ano anterior. Zinco É bastante utilizado nos setores da agricultura, pecuária, ferroviário, elétrico, construção civil, entre outros, aplicado como revestimento metálico para evitar corrosões. Também é empregado em ligas de utilização industrial para fundição sob pressão, na indústria automobilística, de eletrodomésticos e na produção de componentes de vários segmentos industriais. Sua importância se deve às suas propriedades anticorrosivas. A produção atual, supre em 81% as necessidades de consumo interno e a porcentagem descoberta é completada pela importação do metal primário. Em 1998, a produção nacional atingia 152.300 toneladas, quase integralmente de metal primário. Chumbo O chumbo é um metal de cor acinzentada, pouco tenaz, porém dúctil e maleável. É bom condutor de eletricidade, embora não seja magnético, e mau condutor de calor. Funde-se a 327ºC. É facilmente laminado, pois é o mais mole dos metais pesados. Pode ser endurecido em liga com enxofre (S) ou antimônio (Sb). É resistente à água do mar e aos ácidos, mas é fortemente atacado por substâncias básicas. Oxida-se com facilidade em contato com o ar. Outras propriedades que permitem grande variedade de aplicações são: alta densidade, flexibilidade, alto coeficiente de expansão térmica, boa resistência à corrosão, condutibilidade elétrica, facilidade em se fundir e formar ligas com outros elementos. O principal minério do qual o chumbo é extraído é a galena (PbS), cujo teor de chumbo varia entre 1 e 12%. Em geral, esse minério possui também prata. O processo de obtenção do chumbo tem várias etapas, mas as principais são:
  16. 16. 16 concentração por flotação, formação do aglomerado, redução dos óxidos, desargentação, ou seja, retirada da prata, destilação a vácuo e refino. O chumbo é usado como isolante acústico e amortecedor de vibrações. É empregado também em juntas para vedação, em ligas para fabricação de mancais, gaxetas e arruelas. Ele pode ser laminado a espessuras de até 0,01 mm. Sua maior utilização (80%), entretanto, é na fabricação de baterias. Vale lembrar que o chumbo é um metal que permite a reciclagem de sua sucata. No Brasil, o reaproveitamento dessa sucata corresponde a um terço das nossas necessidades dessa matéria-prima. Ao chumbo podem-se acrescentar os seguintes elementos de liga: cobre (Cu), prata (Ag) e antimônio (Sb). Veja no quadro a seguir, a característica que cada um desses elementos traz à respectiva liga e suas aplicações. É empregado, principalmente, na fabricação de acumuladores de energia, na produção de soldas de baixo ponto de fusão, na produção de compostos organometálicos, utilizados como aditivo de gasolina, no revestimento de cabos elétricos, na fabricação de tintas anticorrosivas, mancais para vários tipos de máquinas, baterias para automóveis, construção e indústria química. A partir do desenvolvimento da indústria automobilística e de acumuladores, seu consumo e peso econômico adquirem expressivo significado. Como aditivo, vem sofrendo declínio constante, devido aos problemas de poluição atmosférica, o que é compensado pelo seu uso como agente protetor da radiação de raios X. É de grande utilidade nas paredes de hospitais e também é utilizado como proteção para a radiação nuclear. Em 1988, a produção primária desse metal alcançou, no Brasil, 29.400 toneladas, a secundária (recuperação de sucata) atingiu 68.680 toneladas, e a importação de metal primário chegou a 34.000 toneladas. As principais jazidas de chumbo do Brasil encontram-se nos estados da Bahia, Paraná e Minas Gerais, que suprem a maior parte das necessidades internas desse metal.
  17. 17. 17 Elemento adicionado Influências Aplicações Cobre (0,06%) Resistência à corrosão Equipamentos para processamento de ácido sulfúrico. Proteção catódica de estruturas marinhas. Prata (2%) Resistência à corrosão em atmosferas marinhas. Antimônio (1 A 9%) Resistência mecânica Revestimento de cabos elétricos; placas de baterias elétricas; grades de baterias para serviço pesado. O Níquel e suas ligas O níquel, cujo símbolo químico é Ni e ponto de fusão é 1452ºC, também faz parte do grupo dos metais mais antigos conhecidos e usados pelo homem. É um metal bastante versátil, capaz de formar ligas com inúmeros metais, inclusive o aço. Para a composição de ligas, o níquel pode receber adições de cobre (Ni-Cu), silício (Ni-Si) ou molibdênio (Ni-Mo). Pode também formar ligas com cromo e ferro (Ni-Cr- Fe) e cromo e molibdênio(Ni-Cr-Mo) ou ainda, com cromo, ferro, molibdênio e cobre (Ni-Cr-Fe-Mo-Cu). Como já dissemos, devido ao alto custo, os metais não ferrosos e suas respectivas ligas têm uso limitado a aplicações especiais. No caso do níquel, por exemplo, as ligas custam de vinte a cem vezes mais que os aços inoxidáveis. Isso torna seu uso limitado a aplicações especiais tais como: turbinas de aviões, caldeiras de vapor, turbo compressores e válvulas de exaustão de motores, ferramentas para injeção e trabalho a quente, equipamentos para tratamento térmico etc. São aplicações que precisam de características como alta resistência à corrosão e ao calor.
  18. 18. 18 O níquel puro e suas ligas podem ser endurecidos por meio de trabalho a frio (encruamento). Elas também podem ser endurecidas pela formação de solução sólida ou por tratamento térmico de solubilização e precipitação. Para tornar seu estudo mais fácil, mostramos a seguir um quadro que reúne as características adquiridas pelo níquel com a adição de cada elemento de liga e sua respectiva utilização. Elemento adicionado Influências Aplicações Cobre Nas ligas monel, aumenta a resistência à corrosão e a resistência mecânica; reduz o custo nas ligas de cromo, ferro e molibdênio; em teores em torno de 2% reduz ação corrosiva em meios ácidos e oxidantes. Equipamento de processamento de produtos de petróleo e petroquímicos; aquecedores de água e trocadores de calor; válvulas, bombas, eixos, parafusos, hélices e fixadores usados em construção naval. Cromo Eleva a resistência à corrosão em meios oxidantes e a resistência mecânica em altas temperaturas. Equipamentos de processamento químico, equipamentos de tratamento térmico; geradores de vapor, componentes de fornos; equipamentos de controle de poluição; componentes de equipamentos eletrônicos. Ferro Reduz o custo das ligas; aumenta a resistência à corrosão associada à cavitação e à erosão. Equipamentos de processamento químico; geradores de vapor; componentes de fornos; equipamentos de controle de poluição. Molibdênio Eleva a resistência à corrosão em meios redutores; aumenta a Componentes de turbinas a gás e de motores aeronáuticos;
  19. 19. 19 resistência mecânica em altas temperaturas. equipamentos de processamento químico. Cromo-ferro + alumínio e titânio Permitem a realização de tratamento térmico de solubilização e precipitação para endurecimento da liga. Liga experimental para a indústria aeronáutica. Tanto o níquel quanto suas ligas apresentam excelente resistência à corrosão e resistência mecânica em elevadas ou baixas temperaturas. Com custo elevado, as ligas de níquel fazem com que estes matérias sejam poucos utilizados às baixas temperaturas, onde é preferível o uso de materiais mais baratos como o alumínio e os aços austeníticos. Normalmente, emprega-se o níquel 201 em ambientes corrosivos severos de cáusticos e em temperaturas de 300ºC. De todas as ligas de níquel, o metal monel é o mais utilizado em equipamentos de processos, sendo usado para tubulações e válvulas de pequeno diâmetro, para tubulações de trocadores de calor e como material de revestimento anticorrosivo. Monel é a denominação de um conjunto de ligas metálicas de alta resistência mecânica e alta resistência à corrosão atmosférica, aos ácidos e álcalis e à água salgada. Têm ponto de fusão bastante elevado, por volta de 2.400°C. São basicamente ligas de 65-70%Ni (níquel) e 20-30%Cu (cobre), com adição de diversos outros elementos, como ferro, manganês, silício, enxofre, titânio e alumínio, dependendo das propriedades necessárias. As ligas Monel são utilizadas em substituição aos aços inox em inúmeras aplicações na indústria química, indústria petrolífera, construção naval, etc. Monel é uma marca registrada da empresa Special Metals Corporation.
  20. 20. 20 Os Inconel e os Incoloys foram criados para serviços severos, oxidantes ou redutores e para trabalhos com temperaturas elevadas. Os Hasteloy são ligas de níquel de alto custo com grande quantidade de Molibdênio (Mo), podendo também conter cromo (Cr), Cobalto (Co), Tungstênio (W), Vanádio (V) e outros metais. São classificados em tipos B, C, D, e G. O Hasteloy tipo B é uma das ligas industriais mais resistentes à corrosão, existente. O custo extremamente elevado destas ligas limita sua utilização em alguns casos excepcionais e quando não houver alternativa. São usados em trocadores de calor e peças pequenas. Titânio e suas ligas O titânio é um metal não ferroso que ganhou importância estratégica há somente 40 anos por sua alta resistência mecânica, alta resistência à corrosão e ter por volta de 55% da densidade do aço. O fato mais interessante a respeito do titânio é que, embora ele exista em grande quantidade na crosta terrestre, o custo de sua obtenção é muito alto. Em contato com o ar, forma-se em sua superfície um óxido impermeável e protetor muito importante se ele estiver em um meio corrosivo. Disso decorre sua propriedade mais importante: a resistência à corrosão da água do mar e outras soluções de cloretos, aos hipocloritos e ao cloro úmido e a resistência ao ácido nítrico. Essa qualidade torna-o ideal para a fabricação de próteses humanas tais como componentes de válvulas cardíacas, placas e pinos para unir ossos, pois os fluidos que existem dentro do nosso corpo são soluções salinas, com PH ácido. Elas também contêm outros ácidos orgânicos ao qual o titânio é imune. Os elementos que são adicionados às ligas resistentes à corrosão são: paládio (Pd), molibdênio (Mo), alumínio (Al), níquel (Ni), manganês (Mn), vanádio (V) e estanho (Sn). Essas ligas são usadas na fabricação de próteses Ligas de titânio com alumínio e estanho e alumínio e vanádio são usadas em aplicações muito especiais,
  21. 21. 21 pois apresentam resistência específica, ou seja, relação resistência mecânica / peso muito elevadas em temperaturas abaixo de zero (entre -196 e -269ºC). Por isso, elas são empregadas em vasos de pressão que fazem parte dos sistemas de controle de propulsão e reação dos foguetes que transportaram as naves Apollo e Saturno e o dos módulos lunares. São empregadas também em rotores de bombas usadas para bombear hidrogênio líquido. Veja no quadro a seguir, o resumo destas informações. Elemento adicionado Influências Aplicações Alumínio, molibdênio, vanádio. Resistência a temperaturas elevadas. Estruturas aeroespaciais. Molibdênio, zircônio e estanho. Resistência mecânica e à corrosão sobtensão; menor ductilidade. Geradores de turbinas a vapor e a gás. Alumínio, molibdênio e silício. Elevada resistência específica e a altas temperaturas; resistência à corrosão. Peças estruturais de naves supersônicas. Molibdênio e níquel. Paládio. Resistência à corrosão em salmoura a altas temperaturas e em meios oxidantes redutores. Tanques e tubulações em indústrias químicas. Reciclagem A reciclagem é considerada um processo secundário para obtenção do metal, pois utiliza um processo mais simples e com menor consumo de energia, que sua mais importante vantagem quando comparado à sua produção, desde a extração do minério até seu beneficiamento. A reciclagem ocorre em diferentes unidades industriais dependendo do tipo, e no caso dos metais pesados, o processo é mais complexo.
  22. 22. 22 Os materiais ferrosos podem ser facilmente separados dos demais através de uma máquina com imã que atrai os objetos de aço. FIQUE POR DENTRO:  Os metais vêm sendo utilizados desde os primórdios da civilização humana, porém os danos ambientais causados pela mineração e pelo seu descarte despertaram a necessidade do uso racional deste recurso.  No processo de reciclagem dos metais há considerável redução no uso de energia, água, na emissão de poluentes atmosféricos e contaminação das águas.  No caso da reciclagem do alumínio há uma redução de 95% de energia em relação à produção a partir do minério.  A cada 75 embalagens de aço recicladas, economiza-se uma quantidade de carvão vegetal equivalente a uma árvore.  Pilhas, baterias e lâmpadas fluorescentes são dotadas de metais pesados e, se descartados sem tratamento, contaminam o solo, o lençol d’água e por consequência os seres que se utilizarem destes recursos. O tratamento adequado e a reciclagem de materiais que contenham metais pesados são possíveis, porém caros e nem todas as indústrias que os produzem se responsabilizam por seu destino final. O recebimento e o tratamento de determinadas pilhas e baterias tornaram-se obrigatórios por parte dos fabricantes após a resolução CONAMA 257/99. Tratamentos Térmicos de Materiais Não-Ferrosos. Os tratamentos térmicos realizados em materiais não ferrosos são um pouco diferentes dos que são realizados nos aços. São eles:  Solubilização Envolve o aquecimento à temperatura adequada, durante um tempo suficiente para a dissolução de um ou mais constituintes, seguidos de resfriamento bastante rápido para mantê-los em solução.
  23. 23. 23 Este tratamento térmico visa à eliminação de precipitados no material e é frequentemente realizado em aços inoxidáveis, embora seja uma liga ferrosa. As temperaturas utilizadas nos tratamentos térmicos de solubilização são elevadas e mais próximas do ponto de fusão das ligas.  Envelhecimento Usado para aumentar a dureza e propriedades mecânicas de materiais sob condições controladas de aquecimento e resfriamento. O aumento da dureza é proporcionado pelos precipitados que se formam durante o processo de tratamento térmico.  Homogeneização Manutenção de uma liga a alta temperatura para eliminar ou diminuir, por difusão, a segregação química. Este tratamento térmico visa homogeneizar a composição química do material e é comumente realizado em peças fundidas e seu tempo de duração é bastante longo, podendo chegar a dias. As temperaturas dos tratamentos térmicos de homogeneização são próximas das temperaturas utilizadas nos tratamentos térmicos de solubilização.  Recozimento Este tratamento leva a diminuição do encruamento e causam uma diminuição de dureza do material metálico. Esse tratamento também é conhecido como alívio de tensões e visa eliminar tensões residuais, causadas por diferentes motivos (soldagem, conformação mecânica) e é comum aos materiais ferrosos (como citado acima) e não ferrosos.
  24. 24. 24 Metais não ferrosos para proteção de superfícies Sempre que falamos em metais, uma das propriedades que mais nos interessa é a resistência à corrosão. Isso acontece porque a corrosão destrói os metais. Basta lembrar, por exemplo, que quando a gente vai comprar um carro usado, uma das maiores preocupações é procurar os pontos de ferrugem. Dependendo de onde eles estão, não tem negócio. A única maneira de evitar a corrosão é tratar a superfície dos metais que não são resistentes a ela. Você pode fazer isso de diversos modos: pintando, fosfatizando, esmaltando, anodizando, dando banhos de cobre, zinco e estanho. Todos esses processos serão estudados em um módulo especial sobre tratamento de superfície. Mas, nesta aula sobre metais não ferrosos, podemos falar sobre dois metais que são usados basicamente para esse tipo de processo. Os dois metais não ferrosos que faltam para serem estudados e que são usados para a proteção de superfícies metálicas contra a corrosão são o zinco e o estanho. Vamos começar pelo zinco. Esse metal, cujo símbolo químico é Zn, funde-se a 420ºC e é produzido principalmente a partir do minério chamado blenda (ZnS). Ele é condutor de eletricidade, mas é um metal não magnético. O ar seco não o ataca. O ar úmido, porém, causa a formação de uma película de óxido que protege o material. É mais barato que a maioria dos metais não ferrosos. O zinco é empregado como pigmento em tintas, como elemento de liga com o cobre, na produção do latão e, sobretudo, para proteger outros metais, principalmente o aço, por meio da galvanização. Os elementos de liga que são adicionados ao zinco são o alumínio, o cobre e o magnésio. Essas ligas são usadas industrialmente para a fundição sob pressão e são conhecidas, comercialmente, como “zamac”. Podem ser revestidas por eletrodeposição (cobreação, niquelação e cromação), por pintura, ou por verniz.
  25. 25. 25 Permitem também a fundição por gravidade em moldes permanentes e são de fácil usinagem. Elas possuem elevada resistência à corrosão por agentes atmosféricos, desde que a umidade não seja muito elevada; resistem também a hidrocarbonetos (gasolina e óleos) e ao álcool. Veja, no quadro a seguir, como cada elemento de liga influencia nas propriedades do zinco e quais são as respectivas aplicações. Elemento adicionado Influências Aplicações Alumínio Aumenta sensivelmente a resistência e a dureza da liga. Carburadores, bombas de combustível, maçanetas, frisos, metais sanitários, engrenagens, dobradiças, peças fundidas de formato complicado. Magnésio (até 0,06%) Inibe a corrosão entre os grãos da liga. Cobre (até 1,25%) Aumenta a resistência à corrosão, a resistência mecânica e a dureza da liga.

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