Materiais Metálicos - Professora Moema Castro

Materiais Naturais e Artificiais
Materiais Metálicos
INTRODUÇÃO
Metal (do ponto de vista tecnológico) pode ser definido como elemento químico que existe como
cristal ou agregado de cristais, no estado sólido, caracterizado pelas seguintes propriedades: alta
dureza, grande resistência mecânica, elevada plasticidade (grandes deformações sem ruptura) e alta
condutibilidade térmica e elétrica.
Os metais são um dos grupos mais importantes entre os materiais de construção, devido às
propriedades que possuem (diversos empregos na construção). A utilização de ligas metálicas,
melhorando ou comunicando certas propriedades, fez ampliar o campo de aplicações desses materiais.
Os metais aparecem na natureza em estado livre ou compostos. Concentrados em jazidas. Os principais
minérios são:
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Alumínio: bauxita;
Chumbo: galeria;
Cobre: calcosina, cuprita, calcopirita, malaquita e azurita;
Estanho: cassiterita;
Zinco: blenda, calamina e smithsonita.
Os materiais metálicos são substâncias inorgânicas que contêm um ou mais elementos metálicos e que
também podem conter alguns elementos não-metálicos.
Ligas
Visando à melhoria das suas propriedades (por exemplo, resistência mecânica e resistência à
corrosão), a maioria dos materiais metálicos são ligas metálicas. Desta forma, os metais em geral não
são empregados puros, mas fazendo parte de ligas.
A liga é uma mistura, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si ou com outros
elementos. Neste caso busca-se obter propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que as dos
metais puros.
As ligas metálicas são constituídas pela combinação química de dois ou mais elementos metálicos
(como o latão, liga cobre-zinco) ou por um ou mais elementos metálicos combinados com um ou mais
elementos não- metálicos (como o aço, liga ferro-carbono).
O processo mais simples de obtenção das ligas é a fusão, ou seja, mistura dos componentes fundidos na
proporção desejada. Entretanto existem outros processos como: pressão, aglutinação (uso de um
cimento), eletrólise, etc.
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Propriedades dos metais
As propriedades que interessam para a construção, são: aparência, densidade, resistência à esforços
mecânicos, dureza, dilatação térmica, condutibilidade elétrica, resistência ao choque e à fadiga e
oxidação.
a) Aparência: todos os metais comuns são sólidos à temperatura ordinária, a porosidade não é
aparente e possuem brilho característico.
b) Densidade: nos metais comuns variam entre 2,56 e 11,45 (platina=21,30).
c) Dilatação e Condutibilidade Térmica: o coeficiente de dilatação dos metais se situa entre
0,10- 0,030 mm/m/ºC; a ordem decrescente começa com o zinco, depois chumbo, estanho,
cobre, ferro e termina com aço. Com relação a condutibilidade térmica a prata é o maior
condutor seguido do cobre, alumínio, zinco, bronze, ferro, estanho, níquel, aço e chumbo.
d) Condutibilidade Elétrica: os metais são bons condutores elétricos, o cobre e o alumínio são
utilizados tradicionalmente na transmissão de energia elétrica.
e) Resistência à Tração, Resistência ao Choque, Dureza, Fadiga: ver apostila Resistência dos
materiais e dimensionamento de estruturas para construções rurais.
f) Corrosão (ou Oxidação): transformação não intencional de um metal, a partir de suas
superfícies expostas, em compostos não aderentes, solúveis ou dispersíveis no ambiente em
que o metal se encontra. Há dois tipos de corrosão: a corrosão química e a corrosão
eletroquímica. Em qualquer caso o metal doa elétrons a alguma substância oxidante existente
no meio ambiente, formando óxidos, hidróxidos, sais, etc.
A tendência natural dos metais é voltar à condição de óxido. Pode-se, no entanto, procurar
retardadores da oxidação, a partir das seguintes técnicas:
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•
•
Escolha do metal ou liga adequada ao meio em que vai atuar;
Fazer com que o meio em que o metal vai atuar não seja corrosivo;
Recobrir o metal por um óxido ou sal insolúvel e resistente, que impeça a troca
eletrolítica;
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•
Fazer capeamento metálico;
Proteção catódica;
•
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Adoção de cuidados especiais na construção;
Pintura superficial.
Classificação dos materiais metálicos
Os metais e suas ligas podem ser divididos em duas grandes classes: materiais metálicos ferrosos e
não- ferrosos.
•
Os ferrosos contêm uma percentagem elevada de ferro em sua composição química, sendo
este elemento o seu principal constituinte (aços e ferros fundidos).
•
Os não-ferrosos não contêm ferro ou contêm o ferro apenas em pequena quantidade (tais
como o alumínio, o cobre, o níquel, o chumbo, assim como as suas respectivas ligas).
•
As ligas ferrosas (principalmente os aços) contribuem com a grande parte da produção
mundial de materiais metálicos, em função de uma combinação de boa resistência mecânica,
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tenacidade e ductilidade, associadas a um custo de produção relativamente baixo.
As ligas ferrosas possuem algumas limitações quando comparadas com as ligas não ferrosas,
incluindo principalmente: massa específica relativamente alta, baixa condutividade elétrica e
susceptibilidade à corrosão em alguns ambientes comuns.
Apesar de seu maior custo de produção, é vantajoso ou mesmo necessário o uso de ligas não
ferrosas para muitas aplicações em função de uma combinação mais adequada de
propriedades.
•
As ligas não ferrosas são classificadas em função do seu elemento químico principal ou de
alguma característica específica que compartilham. Dentre as ligas não ferrosas mais
importantes na construção civil estão incluídas as de alumínio, cobre e zinco.
TIPOS, CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DOS MATERIAIS METÁLICOS
Aço
O consumo anual de aço, medido em toneladas, é maior do que o dobro do consumo de todos os outros
metais e mais os plásticos. Depois do aço, o material manufaturado mais empregado é o papel.
A extraordinária variedade de aços e seu preço reduzido explicam o vasto emprego de seus produtos.
Há tipos de aços para quase todas as finalidades: aços doces e duros, dúteis e frágeis, magnéticos e não
magnéticos, aços soldáveis e aços que podem ser tratados pelo calor, forjados e fundidos, perfis
estruturais e chapas, aços resistentes à abrasão, à dureza, ao calor, ao frio, à corrosão e ao impacto. É
notável também a capacidade do aço em se ligar em outros materiais, formando uma infinita variedade
de ligas úteis.
O aço é uma liga metálica composta principalmente de ferro, com pequenas quantidades de carbono,
manganês e silício. Os aços cujas ligas incluem outros elementos além dos já citados são chamados
aços liga. Os aços que só incluem como elementos de liga o carbono, o manganês e o silício são
chamados de aços-caborno.
Aços carbono comuns
Principais aplicações e usos não estruturais:
•
Arames recozidos, telas de gabiões, telas soldadas (para cercamentos e alambrados), chapas
lisas ou corrugadas (para revestimento de pisos e paredes), tubos para encanamentos e seus
acessórios, painéis de andaimes, telhas e tapamentos laterais, painéis (arquitetônicos e termoacústicos), forros, esquadrias e seus acessórios, calhas, rufos, condutores verticais de águas
pluviais e eletrocalhas;
•
Podem ser revestidos superficialmente (por exemplo, por zinco, estanho, fósforo e materiais
poliméricos orgânicos, como as tintas e vernizes) para uma melhor proteção contra a corrosão.
Aços inoxidáveis
Principais aplicações e usos não estruturais:
•
Elemento decorativo de fachadas (revestimento de superfícies com chapas com acabamento
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espelhado, lixado, escovado ou colorido), elemento decorativo de interiores (corrimãos ,
divisórias, revestimento interno de elevadores, etc.), mobiliário urbano (sinalização, bancos,
abrigos, lixeiras, etc.), caixas d'água, cubas, revestimento de pias, válvulas, metais sanitários,
coifas, ralos, etc.
Ferros fundidos
Principais aplicações e usos não estruturais:
•
Tampões de pista de rolamento e de calçada (para visitas em redes de água, esgoto, telefonia e
elétrica), grelhas para águas pluviais, grades decorativas, tubos para redes de água e seus
acessórios (válvulas, conexões, etc.), ralos, caixas de correio, etc.
Alumínio e suas ligas
O alumínio é um metal de muita qualidade, sobressaindo a leveza, estabilidade, beleza e
condutibilidade. É um metal de amplo emprego na construção, só perdendo em importância para o
ferro. Os principais elementos de liga do alumínio incluem cobre, magnésio, silício, manganês e zinco.
Principais aplicações e usos não estruturais:
•
Extrudados – destinados à fabricação de esquadrias (portas e janelas), forros, divisórias,
acessórios para banheiros, estruturas pré-fabricadas e elementos decorativos de acabamento
•
•
Chapas e laminados – destinados à produção de telhas e elementos de fachada;
Transmissão de energia elétrica e ponteiras de pára-raios;
•
Elementos de ligação, revestimentos impermeabilizantes, ferragens de esquadrias, elemento de
remates (cantoneiras e tiras) e componente de tintas.
Cobre e suas ligas
Os principais elementos de liga do cobre incluem zinco, níquel, estanho, alumínio, manganês, fósforo,
berílio, cromo, ferro e chumbo.
As propriedades mecânicas e de resistência à corrosão do cobre podem ser melhoradas por elementos
de liga. Muitas ligas de cobre não podem ser endurecidas por meio de tratamentos térmicos.
Principais aplicações e usos não estruturais
•
Cobre e alta pureza:
o Fios e cabos para condução de energia elétrica. O mais comum é o uso do cobre
eletrolítico (EMR).
•
Ligas de cobre (principalmente latões e bronzes):
o Fabricação de tubulações (para condução de água potável, gás, água quente e água fria)
e de suas conexões rosqueáveis e soldáveis;
o Componentes de sistemas de combate a incêndio (hidrantes, sprinklers) e de sistemas
de aquecimentos (solares, a gás e elétricos);
o Confecção total ou parcial de ferragens para esquadrias (fechos, puxadores, fechaduras,
dobradiças, etc.) e de metais sanitários (válvulas, torneiras e acessórios).
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Zinco e suas ligas
O zinco possui um baixo potencial de oxidação sendo muito utilizado para revestir metais de potencial
mais alto, conferindo-lhes uma proteção contra a corrosão eletroquímica. Nesse caso, o zinco é
corroído preferencialmente ao substrato revestido que se deseja proteger.
O aço galvanizado é um substrato de aço carbono comum que foi revestido por uma fina camada de
zinco. O processo de galvanização pode ser feito por simples imersão do substrato de aço em um banho
de zinco fundido (galvanização a quente) ou por técnicas de eletro-deposição (galvanização
eletrolítica).
Principais elementos de liga – alumínio, cobre e magnésio
Principais aplicações e usos não estruturais
•
Galvanização de produtos siderúrgicos (aço carbono comum): Telhas, chapas lisas ou
onduladas, arames, telas comuns ou soldadas, tubos para encanamentos e seus acessórios,
elementos de ligação (pregos, parafusos e seus complementos e rebites), calhas, rufos,
condutores verticais de águas pluviais e eletrocalhas.
•
As ligas à base de zinco são utilizadas principalmente em:
o Componentes fundidos de ferragens para esquadrias;
o Pigmento em tintas (zinco na forma de óxido);
o Componente de outras ligas metálicas, como das ligas de cobre- zinco (latões).
PRINCIPAIS PRODUTOS E COMPONENTES NÃO ESTRUTURAIS
Tubos e conexões de cobre (PROCOBRE, 2007)
Os tubos rígidos de cobre para instalações (de água quente, água fria, gás, sistemas de combate a
incêndio e de aquecimento) apresentam, no mínimo, 99,9% de cobre e são fabricados nos mesmos
diâmetros das conexões (15mm a 104mm) de acordo com a NBR 13206 (ABNT, 2004a).
A NBR 14745 (ABNT, 2004b) estabelece os requisitos para os tubos flexíveis de cobre utilizados na
condução de fluídos.
Para as instalações de gás e sistemas de refrigeração e ar- condicionado, os tubos flexíveis devem
atender aos requisitos da NBR 7541 (ABNT, 2004c).
As conexões para união de tubos de cobre por soldagem ou brasagem são produzidas em cobre e em
suas ligas de acordo com a NBR 11720 (ABNT, 2005a).
Fios e cabos elétricos de cobre
A NBR 5471 (ABNT, 1986) apresenta as seguintes definições aplicáveis aos condutores elétricos em
geral:
•
Condutor – produto metálico, de seção transversal invariável e de comprimento muito maior
do que a maior dimensão transversal, utilizado para transportar energia elétrica ou transmitir
sinais elétricos;
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•
Fio – produto metálico maciço e flexível, de seção transversal invariável e de comprimento
muito maior do que a maior dimensão transversal;
•
Cabo – conjunto de fios encordoados (com disposição helicoidal), isolados ou não entre si,
podendo o conjunto ser isolado ou não.
O cobre e o alumínio são os metais mais utilizados na fabricação de fios e cabos elétricos. Em geral, as
linhas aéreas de transmissão de energia são produzidas em alumínio (devido à sua menor densidade),
e as instalações elétricas internas domiciliares (de baixa tensão) são de cobre (devido à sua maior
flexibilidade).
De acordo com a NBR 5410 (ABNT, 2004d), que trata de instalações elétricas de baixa tensão, não é
indicado o uso de alumínio em instalações residenciais
Esquadrias de alumínio e seus componentes
As esquadrias em alumínio possuem grande durabilidade devido à resistência à corrosão (podendo ser
melhorada por meio de anodização e pintura) associada a uma relativa leveza. A NBR 10820 (ABNT,
1989) caracteriza os principais tipos de portas e janelas de alumínio.
Os acessórios (fechos, roldanas, puxadores, lingüetas, elementos de vedação, etc.) devem ter uma vida
útil compatível com a esperada para a esquadria. Esses acessórios visam a um bom desempenho do
conjunto, principalmente quanto à estanqueidade (ao ar e à água), ao isolamento termo-acústico, à
ventilação e estabilidade estrutural.
Os componentes das esquadrias de alumínio podem ser submetidos a tratamentos superficiais (como
anodização e pintura). Esses tratamentos são realizados devido a questões estéticas e, principalmente,
visando à melhoria da resistência à corrosão dos componentes.
A anodização envolve etapas prévias como tratamentos mecânicos (escovamento, jateamento,
polimento, etc.) e químicos (polimento químico e/ou eletropolimento). Na anodização é produzida
uma camada anódica superficial (de óxido de alumínio) de forma controlada e uniforme, obtida pela
eletrólise em uma solução de ácido sulfúrico.
A porosidade da camada anódica permite sua coloração por imersão (em anilinas orgânicas ou
inorgânicas) ou por eletrólise (de sais de metais). A anodização termina com a selagem, responsável
pela maior resistência à corrosão atmosférica (impedindo sua penetração pelos poros), pela dureza e
resistência à abrasão da camada anódica.
A pintura eletrostática é o processo mais conhecido e utilizado na decoração e proteção do alumínio.
Nesse processo, inicialmente, é promovido um pré- tratamento da superfície (envolvendo etapas de
desengraxe, desoxidação, cromatização e secagem, intercalados com lavagens).
A aplicação de tinta eletrostática (líquida ou em pó) é feita automaticamente por meio de pistolas
especiais em cabines de pintura. No processo de pintura eletrostática, é gerada uma elevada diferença
de potencial (cerca de 100.000 Volts) entre as partículas pulverizadas da tinta e o objeto a ser pintado
As partículas são atraídas pela superfície, produzindo uma cobertura uniforme, sem falhas e com
economia de tinta. O processo termina com a polimerização (cura ou secagem) das tintas utilizadas.
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Metais sanitários
São componentes de instalações hidrosanitárias, envolvendo: torneiras, registros, válvulas de
descarga, misturadores de água quente e fria e produtos complementares (sifões, válvulas de
escoamento, etc.)
Podem ser constituídos por diferentes matérias-primas e componentes, especificados em função das
suas propriedades exigidas, por exemplo, resistência à corrosão, estanqueidade, acabamento
superficial, etc.
A fabricação dos metais sanitários envolve os processos de geração de componentes, usinagem ou
estampagem, acabamento superficial, montagem, testes e embalagem
Produtos do aço galvanizado
O processo de galvanização associado com os produtos utilizados na construção civil é normalmente
realizado pelo processo contínuo de imersão a quente (galvanização a quente)
Neste processo, um substrato de aço (chapa ou bobina) é revestido em ambos os lados através da sua
imersão contínua em um banho de zinco fundido
As chapas ou bobinas galvanizadas são fornecidas, por exemplo, em espessuras entre 0,3mm a 2,7mm
e larguras entre 700mm a 1534mm
PRINCIPAIS PRODUTOS E COMPONENTES ESTRUTURAIS
Vergalhões soldáveis e armaduras soldadas
O desenvolvimento CA-50 soldável foi feito para bitolas finas e médias, 6,3 mm, 8,0 mm, 10,0 mm e
12,5 mm, cujas bitolas representam cerca de 80% do consumo total de barras retas e rolos de CA-50 no
Brasil.
Em ambos os casos, laminação de barras ou laminação de rolos, o processo de fabricação do CA-50
soldável consiste, basicamente, no resfriamento controlado utilizando água, durante a laminação da
superfície do material, ao passo que, no processo de fabricação do CA- 50 não soldável, é aplicado o
processo de resfriamento ao ar.
Tabela 1 - Processos de produção de CA-50 no Brasil.
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QUADRO RESUMO - TIPOS E APLICAÇÕES DE MATERIAIS METÁLICOS
Tipos
Aço
Aços
carbono
comum
Aços
inoxidáveis
Ferro fundido
Alumínio e suas ligas
Cobre e suas ligas
Zinco e suas ligas
Aplicações
Arames recozidos, telas de gabiões, telas soldadas (para cercamentos e
alambrados), chapas lisas ou corrugadas (para revestimento de pisos e paredes),
tubos para encanamentos e seus acessórios, painéis de andaimes, telhas e
tapamentos laterais, painéis (arquitetônicos e termo-acústicos), forros, esquadrias
e seus acessórios, calhas, rufos, condutores verticais de águas pluviais e
eletrocalhas;
Elemento decorativo de fachadas (revestimento de superfícies com chapas com
acabamento espelhado, lixado, escovado ou colorido), elemento decorativo de
interiores (corrimãos , divisórias, revestimento interno de elevadores, etc.),
mobiliário urbano (sinalização, bancos, abrigos, lixeiras, etc.), caixas d'água, cubas,
revestimento de pias, válvulas, metais sanitários, coifas, ralos, etc.
Tampões de pista de rolamento e de calçada (para visitas em redes de água, esgoto,
telefonia e elétrica), grelhas para águas pluviais, grades decorativas, tubos para
redes de água e seus acessórios (válvulas, conexões, etc.), ralos, caixas de correio,
etc
Extrudados – destinados à fabricação de esquadrias (portas e janelas), forros,
divisórias, acessórios para banheiros, estruturas pré-fabricadas e elementos
decorativos de acabamento
Chapas e laminados – destinados à produção de telhas e elementos de fachada;
Transmissão de energia elétrica e ponteiras de pára-raios;
Elementos de ligação, revestimentos impermeabilizantes, ferragens de esquadrias,
elemento de remates (cantoneiras e tiras) e componente de tintas.
Cobre e alta pureza: Fios e cabos para condução de energia elétrica. O mais comum
é o uso do cobre cobre eletrolítico (EMR)
Ligas de cobre (principalmente latões e bronzes): Fabricação de tubulações (para
condução de água potável, gás, água quente e água fria) e de suas conexões
rosqueáveis e soldáveis; Componentes de sistemas de combate a incêndio
(hidrantes, sprinklers) e de sistemas de aquecimentos (solares, a gás e elétricos);
Confecção total ou parcial de ferragens para esquadrias (fechos, puxadores,
fechaduras, dobradiças, etc.) e de metais sanitários (válvulas, torneiras e
acessórios)
Galvanização de produtos siderúrgicos (aço carbono comum): Telhas, chapas lisas
ou onduladas, arames, telas comuns ou soldadas, tubos para encanamentos e seus
acessórios, elementos de ligação (pregos, parafusos e seus complementos e
rebites), calhas, rufos, condutores verticais de águas pluviais e eletrocalhas.
As ligas à base de zinco são utilizadas principalmente em: Componentes fundidos
de ferragens para esquadrias; Pigmento em tintas (zinco na forma de óxido);
Componente de outras ligas metálicas, como das ligas de cobre- zinco (latões).
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