Metais não ferrosos: Guia essencial para Al, Cu, Zn e outros

Metais não ferrosos referem-se a todos os metais que não sejam ferro e ligas à base de ferro. Eles possuem muitas características excelentes e desempenham um papel extremamente importante nos campos industriais, especialmente nas áreas de alta tecnologia.

I. Alumínio e ligas de alumínio

1. Alumínio (Al)

O alumínio puro pode ser classificado em alumínio de alta pureza, alumínio industrial de alta pureza e alumínio industrial puro com base no teor de alumínio. O alumínio de alta pureza tem uma fração de massa de alumínio de 99,3% a 99,996% e é usado principalmente em experimentos científicos, na indústria química e em outros campos.

O alumínio industrial de alta pureza tem uma fração de massa de alumínio de 99,85% a 99,9% e é usado principalmente para preparar ligas à base de alumínio. O alumínio puro pode ser usado para fabricar fios elétricos, caixas de alumínio, invólucros de blindagem e recipientes para produtos químicos, etc.

(1) Depósitos de minério e fundição

O alumínio metálico puro não existe na natureza; o alumínio existe na forma de composto e é o metal com as maiores reservas (cerca de 8% da crosta terrestre). A bauxita é o mineral com o maior teor de alumínio; o coríndon é alumina cristalina; as gemas (rubi, safira, safira amarela, safira roxa) são alumina pura e transparente.

(2) Principais propriedades

• Propriedades físicas. O ponto de fusão é 658°C, a densidade é 2,7 kg/cm ³ e a condutividade elétrica fica atrás apenas da prata e do cobre.
• Propriedades químicas. Resistente à corrosão, com uma espessa camada de filme de óxido.
• Propriedades mecânicas. A resistência à tração do alumínio fundido é de 90-120 MPa e a do alumínio laminado é de 150-230 MPa. O alongamento é de 20% a 35%.
• Propriedades tecnológicas. O alumínio pode ser forjado, laminado, trefilado, usinado, fundido, soldado e rebitado.

2. Ligas de alumínio

As ligas de alumínio adicionam principalmente cobre, silício, magnésio, manganês e zinco como elementos de liga.

(1) Ligas de alumínio fundido

Eles têm ótimas propriedades de fundição, podem manter sua estabilidade sob os efeitos do clima e da água do mar e podem ser usinados e soldados.

(2) Ligas de alumínio forjado

Eles têm boas propriedades mecânicas e são adequados para o processamento de deformação. Os produtos semiacabados disponíveis no mercado incluem chapas de alumínio, tiras, tubos, barras, peças de alumínio extrudado e peças forjadas.

As ligas de alumínio são usadas no setor de construção civil para a fabricação de portas, janelas e componentes estruturais; no setor alimentício, os tanques de armazenamento, latas, recipientes para bebidas e a maioria das panelas e frigideiras do dia a dia são feitos de alumínio.

3. Designações de notas

1) O método de designação de grau para alumínio fundido e ligas de alumínio é o seguinte.

As ligas de alumínio fundido incluem ZL102, ZL105, ZL201, ZL401, etc.

2) Os graus de alumínio forjado e de liga de alumínio são representados por códigos de quatro dígitos, em que o primeiro, o terceiro e o quarto dígitos são números, e o segundo é uma letra. O primeiro dígito indica o grupo de alumínio e liga de alumínio,

conforme mostrado na tabela abaixo. A segunda letra indica o status de modificação do alumínio puro original ou da liga de alumínio, e os dois últimos dígitos são usados para identificar diferentes ligas de alumínio dentro do mesmo grupo ou indicar a pureza do alumínio.

Grupos de alumínio e ligas de alumínio:

3) A comparação entre as designações de grau novas e antigas para alumínio forjado e ligas de alumínio é mostrada na tabela abaixo.

Comparação das designações de grau novas e antigas para alumínio forjado e ligas de alumínio:

4) A comparação entre as designações de grau novas e antigas para alumínio puro industrial é mostrada na tabela abaixo.

Comparação de designações de grau novas e antigas para alumínio puro industrial:

4. Propriedades de processamento

As ligas de alumínio podem ser submetidas a usinagem ou a um processamento sem corte. Velocidades de corte pode atingir até 400 m/min, economizando tempo de processamento. Ferramentas de aço de alta velocidade e de metal duro são usadas para usinagem.

Fluidos de corte e os lubrificantes usados incluem óleo, terebintina, álcool e água com sabão. O processamento de deformação a quente deve obedecer a especificações rigorosas de temperatura. O alumínio tem alta condutividade térmica e taxa de expansão térmica, e a soldagem não apresenta nenhuma dificuldade especial. A anodização, a decapagem ácida e o revestimento podem melhorar a resistência à corrosão.

II. Cobre e ligas de cobre

1. Cobre (Cu)

Além do alumínio, o cobre é o metal não ferroso mais importante. O cobre industrial puro é vermelho-rosado, tornando-se vermelho-púrpura quando uma película de óxido se forma na superfície. O cobre é um metal indispensável para a engenharia elétrica e a fabricação mecânica.

(1) Depósitos de minério e fundição

O cobre existe principalmente na forma de minério, sendo que os principais minérios de cobre são a calcocita (Cu ₂ S) e calcopirita (CuFeS ₂ ). O enxofre é removido em fornos de torrefação, e o cobre puro é obtido por meio de refino em fornos ou eletrólise.

(2) Principais propriedades

1) Propriedades físicas.

O ponto de fusão é 1084°C, a densidade é 8,9 kg/cm ³ A condutividade térmica é 8 vezes maior do que a do aço, e a condutividade elétrica é 7 vezes maior do que a do aço.

2) Propriedades químicas.

Devido à espessa camada de filme de óxido, ele tem alta resistência à corrosão pelo ar e pela água. Ele reage com o dióxido de carbono no ar para formar carbonato de cobre (pátina verde).

3) Propriedades mecânicas.

Resistência à tração ≤250MPa, o alongamento médio do fio de cobre é de 30% a 50%, a dureza é de apenas 25% do aço.

4) Propriedades tecnológicas.

O cobre pode ser forjado, laminado, fiado, trefilado, usinado, fundido, soldado, etc.

2. Ligas de cobre

As ligas de cobre incluem ligas binárias e ligas de vários elementos, com elementos de liga como zinco, estanho, níquel, alumínio e ferro.

(1) Latão (liga de cobre-zinco)

Tem boas propriedades de fundição, usinabilidade, resistência à corrosão e conformabilidade a frio. A resistência aumenta com o teor de zinco. O latão com adição de outros elementos de liga é chamado de latão especial. Os elementos de liga comuns incluem alumínio, ferro, silício, manganês, chumbo, estanho, níquel, etc., que podem melhorar determinadas propriedades do latão.

(2) Bronze

Sua cor é verde-acinzentada, daí o nome bronze. Para melhorar as propriedades tecnológicas e mecânicas da liga, a maioria dos bronzes também contém outros elementos de liga, como chumbo, zinco, fósforo etc.

Como o estanho é um elemento escasso, o setor também usa muitos bronzes sem estanho. Os principais bronzes sem estanho incluem bronze de alumínio, bronze de berílio, bronze de manganês, bronze de silício etc.

O bronze de estanho tem boas propriedades mecânicas, resistência à corrosão, redução de atrito e propriedades de fundição; o bronze de estanho tem melhor resistência à corrosão do que o latão na atmosfera, na água do mar, na água doce e no vapor.

O bronze de alumínio tem melhores propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência ao frio e resistência ao calor do que o bronze de estanho, não é magnético, tem boa fluidez, não tem tendência à segregação e pode produzir peças fundidas densas. A adição de ferro, níquel e manganês ao bronze de alumínio pode melhorar ainda mais várias propriedades da liga.

(3) Cuproníquel

As ligas à base de cobre com níquel como principal elemento aditivo têm aparência branco-prateada e, por isso, são chamadas de cuproníquel. As ligas binárias de cobre-níquel são chamadas de cuproníquel comum, enquanto as ligas de cobre-níquel com manganês, ferro, zinco e alumínio são chamadas de cuproníquel complexo. A adição de níquel ao cobre puro melhora significativamente a força, a resistência à corrosão, a resistência elétrica e as propriedades termoelétricas.

O cuproníquel industrial é dividido em cuproníquel estrutural e cuproníquel elétrico com base nas características de desempenho e usos, atendendo a vários requisitos de resistência à corrosão e propriedades elétricas e térmicas especiais.

3. Designações de notas

(1) Método de designação de grau de cobre puro

Método de designação de grau de cobre puro:

(2) Ligas de cobre

1) Latão.

Latão comum: A designação usa "H + teor percentual de cobre", em que "H" significa latão comum.

Latão comum:

Latão especial: A designação usa "H + símbolo do elemento aditivo principal + porcentagem do teor de cobre + porcentagem do teor do elemento aditivo principal".

Ligas de cobre fundido: A designação é "ZCu + símbolo do elemento aditivo principal + conteúdo percentual do elemento aditivo principal + outros símbolos de elementos e conteúdos percentuais", em que "Z" significa fundição, como ZCuSn10Zn2, ZCuPb10, ZCuZn40Mn2, ZCuZn33Pb2 etc.

Latão especial:

2) Bronze.

A designação usa "Q + símbolo do elemento aditivo principal e conteúdo percentual + símbolos de outros elementos e conteúdo percentual".

Bronze:

3) Cuproníquel.

A designação de cuproníquel usa "B + teor percentual de níquel", como B5, em que a fração de massa de níquel é de cerca de 5%.

A designação especial de cuproníquel usa "B + símbolo do elemento aditivo principal + teor percentual de níquel", como BFe11-1-1 para cuproníquel de ferro com fração de massa de níquel em torno de 11%; BMn40-1,5 para cuproníquel de manganês com fração de massa de níquel em torno de 40%; BAl13-3 para cuproníquel de alumínio com fração de massa de níquel em torno de 13%.

4. Propriedades de processamento

Por meio da deformação por trabalho a frio, a resistência e a dureza aumentam significativamente, enquanto o alongamento diminui proporcionalmente; após o recozimento por amolecimento, o alongamento aumenta, enquanto a resistência e a dureza diminuem.

III. Zinco e ligas de zinco

1. Zinco (Zn)

Quando o zinco é ligado ao cobre, ele pode produzir ligas semelhantes ao ouro. O zinco tem

(1) Depósitos de minério e fundição

Os depósitos de zinco incluem esfalerita (ZnS), smithsonita (ZnCO₃) e hemimorfita [Zn₄Si₂O₇(OH)₂-H₂O]. O zinco comercial no mercado contém 99,5% de zinco em massa, e o zinco de alta pureza (99,997% em massa) pode ser obtido por meio de destilação e eletrólise.

(2) Principais propriedades

1) Propriedades físicas.

O ponto de fusão é 419,5 °C, o ponto de ebulição é 911 °C, a densidade é 7,14 kg/cm³ e a dureza Mohs é 2,5.

2) Propriedades químicas.

Ele tem boa resistência à corrosão e forma uma camada espessa de óxido de zinco (ZnO) quando combinado com oxigênio.

3) Propriedades mecânicas.

Resistência dos grãos ≤140MPa. O zinco é muito frágil, facilmente trabalhável a 120°C, e se torna frágil novamente quando a temperatura sobe para 205°C. Durante a galvanização, o zinco se une bem ao metal de base.

4) Propriedades de processamento.

Usado como material de proteção de superfície (galvanização por imersão a quente, galvanização por spray ou galvanoplastia), o zinco pode ser usado como um excelente elemento de liga. Ao processar o zinco, é recomendável usar uma lima de corte único. O zinco tem boas propriedades de forjamento. Os produtos comerciais de zinco incluem lingotes de zinco, barras, chapas de zinco e materiais de arame.

2. Ligas de zinco

As ligas de zinco são ligas compostas de zinco como base com a adição de outros elementos. Os elementos de liga comuns incluem alumínio, cobre, magnésio, cádmio, chumbo e titânio.

(1) Ligas de zinco fundido

Formados por fundição, eles têm boas propriedades de fundição e retenção de precisão geométrica. Adequado para instrumentos de fundição sob pressão, peças automotivas e carcaças.

(2) Ligas de zinco forjado

Ligas de zinco usadas para produzir vários formatos de materiais de zinco. Geralmente incluem pequenas quantidades de cádmio, chumbo, ferro, titânio e cobre. Usadas principalmente para carcaças de baterias, placas de circuito impresso, telhas e itens de hardware de uso diário.

3. Designações de notas

1) Os graus do lingote de zinco são expressos como "teor percentual de Zn + zinco", como Zn99,95.

2) Os graus de liga de zinco fundido são expressos como "ZZn + símbolos de outros elementos e conteúdo percentual", como ZZnAl6Cu1, ZZnAl4Cu1Mn.

3) Os graus de liga de zinco fundido são expressos como "YZZn + outros símbolos de elementos e conteúdo percentual", como YZZnAl4Cu1.

4) Outras designações de grau de liga de zinco: Os graus de placa de zinco para bateria são expressos como "XDx", em que "x" é um número que indica a sequência, como XD1; os graus de placa de zinco offset são expressos como "XJx", em que "x" é um número que indica a sequência, como XJ1; os graus de bolo de zinco são expressos como "XBx", em que "x" é um número que indica a sequência, como XB1.

4. Propriedades de processamento

Por meio da deformação por trabalho a frio, a resistência e a dureza aumentam significativamente, enquanto o alongamento diminui proporcionalmente. Após o recozimento de amolecimento, o alongamento aumenta, enquanto a resistência e a dureza diminuem.

IV. Magnésio e ligas de magnésio

1. Magnésio (Mg)

(1) Depósitos e fundição

O magnésio ocupa uma posição importante entre os elementos químicos. Ao processar minérios (magnesita, dolomita, carnalita), o CO₂ é removido da magnesita (MgCO₃) para obter óxido de magnésio (MgO). O magnésio é obtido por eletrólise.

(2) Principais propriedades

1) Propriedades físicas.

O ponto de fusão é de 657°C e a densidade é de 1,74 kg/cm³.

2) Propriedades químicas.

Muito estável no ar seco. Na pirotecnia, o magnésio é combinado com o oxigênio para produzir um flash; o magnésio em chamas só pode ser extinto com areia, pois a água intensificaria a reação de oxidação.

3) Propriedades mecânicas.

O magnésio puro tem uma resistência à tração muito baixa, de 110 a 200 MPa.

4) Propriedades de processamento.

Fácil de usinar, permitindo velocidades de corte relativamente altas, com boa conformabilidade e propriedades de fundição.

2. Ligas de magnésio

Devido à inflamabilidade e à baixa resistência do magnésio puro, somente as ligas de magnésio são usadas na engenharia. As ligas de magnésio são os materiais estruturais metálicos mais leves. Os seguintes elementos de liga têm um impacto significativo sobre as propriedades das ligas de magnésio.

• Manganês: melhora a resistência à corrosão.
• Alumínio: Melhora as propriedades mecânicas.
• Zinco: aumenta a ductilidade e a resistência.

(1) Ligas de magnésio fundido

Ligas de magnésio adequadas para a preparação e produção de peças fundidas para uso direto por meio de métodos de fundição.

(2) Ligas de magnésio forjadas

Ligas de magnésio que podem ser processadas por métodos de formação de plástico, como extrusão, laminação, forjamento e estampagem.

V. Estanho e ligas de estanho

1. Estanho (Sn)

(1) Depósitos e fundição

Minério: Cassiterita (SnO₂). Preparação: Primeiro, o concentrado é produzido (teor de estanho 60%-70% em massa). Fundição: O estanho é reduzido a partir do oxigênio em fornos verticais ou de chama e, em seguida, o estanho bruto é refinado por meio de liquefação ou eletrólise.

(2) Principais propriedades

1) Propriedades físicas.

O ponto de fusão é de 232°C e a densidade é de 7,3 kg/cm³.

2) Propriedades químicas.

Resistente ao ar, à água e a muitos álcalis e ácidos.

3) Propriedades mecânicas. A resistência à tração é de 30 MPa, alongamento ≤40%.

4) Propriedades de processamento.

Não tóxico, com boa formabilidade e ductilidade. Abaixo de -200°C, o estanho se torna frágil e se quebra, e abaixo de -20°C ele se transforma em pó. O estanho é dúctil e pode ser laminado, perfurado e martelado. Ele pode ser transformado em folha de estanho com espessura inferior a 0,01 mm.

2. Ligas de estanho

As ligas de estanho são ligas formadas pela adição de outros elementos de liga (cobre, antimônio, chumbo etc.) ao estanho como base. As ligas de estanho têm baixos pontos de fusão, baixa resistência e dureza, boa condutividade térmica e baixos coeficientes de expansão térmica. Elas são resistentes à corrosão atmosférica, têm excelentes propriedades antifricção e são fáceis de soldar com aço, cobre, alumínio e suas ligas. São bons materiais de solda e materiais de rolamento.

(1) Ligas de rolamentos à base de estanho

Conhecidas coletivamente como ligas Babbitt, juntamente com ligas de rolamentos à base de chumbo. O teor de antimônio é de 3%-15% por massa, e o teor de cobre é de 3%-10% por massa. O antimônio e o cobre são usados para aumentar a resistência e a dureza da liga. Eles têm um baixo coeficiente de atrito, boa tenacidade, condutividade térmica e resistência à corrosão, sendo usados principalmente na fabricação de rolamentos deslizantes.

(2) Soldas de estanho

Principalmente ligas de estanho e chumbo. A liga de estanho com 38,1% de chumbo por massa é comumente conhecida como solda, com um ponto de fusão de cerca de 183°C, usada para soldar componentes no setor de instrumentos elétricos e vedar radiadores de automóveis, trocadores de calor e recipientes de alimentos e bebidas.

(3) Revestimentos de liga de estanho

Utilizando a resistência à corrosão das ligas de estanho, elas são aplicadas à superfície de vários componentes elétricos, proporcionando proteção e decoração.

(4) Ligas de estanho

(Incluindo ligas de chumbo-estanho e ligas de estanho sem chumbo) usadas para produzir várias joias e artesanatos de ligas requintadas, como anéis, colares, pulseiras, brincos, broches, botões, prendedores de gravata, enfeites de chapéu, artesanatos decorativos, molduras de liga para fotos, emblemas religiosos, estátuas em miniatura, lembranças etc.

3. Processamento

O estanho tem boa fluidez e propriedades de fundição no estado fundido e pode ser usado como material de revestimento (como a folha de flandres).

VI. Chumbo e ligas de chumbo

1. Chumbo (Pb)

(1) Depósitos e fundição

O minério de chumbo mais importante é a galena (PbS) e os minérios mistos. Primeiro, é produzido um concentrado de chumbo rico, depois o chumbo é obtido por meio de torrefação e redução, seguido de refino para obter chumbo puro.

(2) Principais propriedades

1) Propriedades físicas.

O ponto de fusão é de 327,4 °C e a densidade é de 11,34 kg/cm³.
2) Propriedades químicas.

Tem ótima resistência à corrosão, é resistente à maioria dos ácidos, mas não à água régia, que é tóxica.

3) Propriedades mecânicas.

Baixa resistência e dureza, pouca elasticidade, resistência à tração de 15 MPa, alongamento ≤60%.

4) Propriedades de processamento.

Baixa resistência à deformação, alta deformabilidade, adequado para conformação a frio. O chumbo é fácil de brasar, soldar e fundir. Ele pode ser ligado a outros metais metais. Usado principalmente para a fabricação de chapas de cobertura, contêineres resistentes a ácidos, cabos revestidos de chumbo, anéis de vedação, tiros de chumbo, placas de proteção contra radiação e chumbo de vedação.

2. Ligas de chumbo

As ligas de chumbo são ligas compostas de chumbo como base com a adição de outros elementos. De acordo com suas propriedades e usos, as ligas de chumbo podem ser classificadas em ligas resistentes à corrosão, ligas de bateria, ligas de solda, ligas de impressão, ligas de rolamento e ligas de matriz. As ligas de chumbo são usadas principalmente para proteção contra corrosão química, blindagem contra radiação, fabricação de placas de bateria e revestimentos de cabos.